DE102014105191A1 - Halbleiter-Streifenlaser und Halbleiterbauteil - Google Patents

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Abstract

In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Halbleiter-Streifenlaser einen ersten Halbleiterbereich (11) eines ersten Leitfähigkeitstyps. Ferner beinhaltet der Halbleiter-Streifenlaser einen zweiten Halbleiterbereich (13) eines zweiten Leitfähigkeitstyps. Eine aktive Zone (12) zur Erzeugung einer Laserstrahlung befindet sich zwischen den Halbleiterbereichen (11, 13). Ein Streifenwellenleiter (3) ist in dem zweiten Halbleiterbereich (13) geformt. Der Streifenwellenleiter (3) ist zu einer eindimensionalen Wellenleitung entlang einer Wellenleitrichtung (L) eingerichtet. Ein erster elektrischer Kontakt (41) befindet sich an dem ersten Halbleiterbereich (11) und ein zweiter elektrischer Kontakt (43) befindet sich an dem zweiten Halbleiterbereich (13). Weiterhin beinhaltet der Halbleiter-Streifenlaser (1) einen Wärmespreizer (2), der wenigstens bis zu einer Temperatur von 220 °C formstabil mit den Halbleiterbereichen (11, 13) verbunden ist. Der Wärmespreizer (2) weist eine mittlere Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/mK auf.

Description

  • Es wird ein Halbleiter-Streifenlaser angegeben. Darüber hinaus wird ein Halbleiterbauteil mit einem solchen Halbleiter-Streifenlaser angegeben.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Halbleiter-Streifenlaser anzugeben, bei dem ein Wärmespreizer integriert ist.
  • Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen Halbleiter-Streifenlaser mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform emittiert der Halbleiter-Streifenlaser im bestimmungsgemäßen Gebrauch Laserstrahlung. Dabei kann es sich um gepulste Laserstrahlung oder auch um eine Dauerstrichlaserstrahlung handeln.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiter-Streifenlaser mindestens einen Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper ist bevorzugt epitaktisch gewachsen. Bei dem Halbleiterkörper kann es sich um eine zusammenhängende, epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge handeln.
  • Der Halbleiterkörper basiert bevorzugt auf einem III–V-Verbindungshalbleitermaterial oder auf einem II–VI-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn1-n-mGamN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn1-n-mGamP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn1-n-mGamAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Dabei kann der Halbleiterkörper einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters des Halbleiterkörpers, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterkörper einen ersten Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps auf. Insbesondere handelt es sich bei dem ersten Halbleiterbereich um einen n-leitend dotierten Bereich. Es kann der erste Halbleiterbereich eine einzige Halbleiterschicht aufweisen oder eine Mehrzahl von Halbleiterschichten, beispielsweise eine Mantelschicht, eine Wellenleiterschicht und/oder elektrische Kontaktschichten.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterkörper einen zweiten Halbleiterbereich. Der zweite Halbleiterbereich ist von einem anderen Leitfähigkeitstyp als der erste Halbleiterbereich. Bevorzugt ist der zweite Halbleiterbereich p-leitend dotiert. Ebenso wie der erste Halbleiterbereich kann auch der zweite Halbleiterbereich aus einer oder mehreren Halbleiterschichten geformt sein und etwa eine Mantelschicht, eine Wellenleiterschicht und/oder eine elektrische Kontaktschicht beinhalten.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet der Halbleiterkörper eine oder mehrere aktive Zonen. Die mindestens eine aktive Zone ist zur Erzeugung der Laserstrahlung im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Halbleiter-Streifenlasers eingerichtet. Es befindet sich die aktive Zone zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterbereich. Die aktive Zone kann unmittelbar an den ersten und an den zweiten Halbleiterbereich angrenzen. Bevorzugt durchdringen sich die aktive Zone und die Halbleiterbereiche nicht. Eine Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterbereich sowie der aktiven Zone kann planar und glatt gestaltet sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiter-Streifenlaser einen Streifenwellenleiter auf. Der Streifenwellenleiter ist mindestens oder ausschließlich in dem Material des zweiten Halbleiterbereichs geformt. Insbesondere ist der Streifenwellenleiter dann frei von der aktiven Zone. Alternativ hierzu kann der Streifenwellenleiter die aktive Zone vollständig oder zum Teil umfassen und kann Materialien beider Halbleiterbereiche aufweisen. Insbesondere ist der Streifenwellenleiter durch eine Materialwegnahme des zweiten Halbleiterbereichs geformt, sodass der Streifenwellenleiter dann eine Erhebung über verbleibende Bereiche des Halbleiter-Streifenlasers darstellt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Streifenwellenleiter zu einer Wellenleitung der im Betrieb erzeugten Laserstrahlung, insbesondere zu einer eindimensionalen Wellenleitung, eingerichtet. Bevorzugt erfolgt eine Wellenleitung entlang genau einer Raumrichtung. Der Streifenwellenleiter erstreckt sich dann entlang dieser Raumrichtung. Diese Raumrichtung wird auch als Wellenleitrichtung bezeichnet. Insbesondere erstreckt sich der Streifenwellenleiter in gerader Linie zwischen zwei Facetten des Halbleiterkörpers, die als Resonatorspiegel ausgebildet sein können. Im bestimmungsgemäßen Gebrauch kann es sich aufgrund des Streifenwellenleiters bei dem Halbleiter-Streifenlaser um einen Monomodenlaser oder auch um einen Multimodenlaser handeln.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiter-Streifenlaser einen ersten elektrischen Kontakt an dem ersten Halbleiterbereich. Ferner umfasst der Halbleiter-Streifenlaser einen zweiten elektrischen Kontakt an dem zweiten Halbleiterbereich. Der erste und der zweite elektrische Kontakt sind zu einer Stromeinprägung in den Halbleiterkörper gestaltet. Ein Material des ersten und des zweiten elektrischen Kontakts kann jeweils von einem Material des Halbleiterkörpers verschieden sein. Bevorzugt sind der erste und der zweite elektrische Kontakt jeweils ohmsch leitend ausgebildet. Es ist möglich, dass der erste und/oder der zweite elektrische Kontakt jeweils aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Oxid wie Indium-Zinn-Oxid oder aus einem oder aus mehreren Metallen geformt sind.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet der Halbleiter-Streifenlaser einen oder mehrere Wärmespreizer. Der mindestens eine Wärmespreizer ist zu einer Wärmeableitung und/oder zu einer Wäremaufweitung in Richtung weg von einem Bereich der aktiven Zone, in dem die Laserstrahlung erzeugt wird, eingerichtet. Insbesondere ist der Wärmespreizer zu einer lateralen Wärmeaufweitung gestaltet. Lateral bedeutet hierbei in Richtung senkrecht zu einer Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Wärmespreizer eine mittlere Wärmeleitfähigkeit von mindestens 25 W/mK oder 50 W/mK oder 75 W/mK oder 100 W/mK oder 150 W/mK oder 200 W/mK auf. Es ist möglich, dass der gesamte Wärmespreizer die genannten Wärmeleitfähigkeiten durchgehend aufweist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Wärmespreizer mindestens bis zu einer Temperatur von 130 °C oder 220 °C oder 270 °C formstabil mit dem Halbleiterkörper verbunden. Das heißt, bis zu der genannten Temperatur erfolgt kein Aufschmelzen oder keine Verformung eines Bereichs zwischen dem Halbleiterkörper und dem Wärmespreizer. Insbesondere befindet sich zwischen dem Halbleiterkörper und dem Wärmespreizer kein Lot, sodass der Wärmespreizer lotfrei mit dem Halbleiterkörper verbunden ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Wärmespreizer fügemittelfrei an dem Halbleiterkörper angebracht. Das kann bedeuten, dass sich zwischen dem Halbleiterkörper und dem Wärmespreizer nur Materialien befinden, die mit einer Flüssigphasenabscheidung oder einer Gasphasenabscheidung aufgebracht sind. Ebenso ist es möglich, dass der Wärmespreizer unmittelbar auf den Halbleiterkörper aufgebracht ist. Beispielsweise sind der Wärmespreizer und optional alle Zwischenschichten zwischen dem Halbleiterkörper und dem Wärmespreizer mittels Aufdampfen, metallorganischer Gasphasenabscheidung, Epitaxie, Sputtern oder Galvanisieren aufgebracht. Insbesondere ist weder der Wärmespreizer noch eine optional sich zwischen dem Wärmespreizer und dem Halbleiterkörper befindliche Schicht dazu eingerichtet, im bestimmungsgemäßen Gebrauch oder bei der bestimmungsgemäßen Montage des Halbleiter-Streifenlasers in seiner Gestalt geändert zu werden.
  • In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Halbleiter-Streifenlaser einen ersten Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps eines Halbleiterkörpers. Ferner beinhaltet der Halbleiter-Streifenlaser einen zweiten Halbleiterbereich eines anderen, zweiten Leitfähigkeitstyps des Halbleiterkörpers. Mindestens eine aktive Zone zur Erzeugung einer Laserstrahlung befindet sich zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterbereich. Ein Streifenwellenleiter ist mindestens in dem zweiten Halbleiterbereich geformt. Der Streifenwellenleiter ist bevorzugt zu einer eindimensionalen Wellenleitung entlang einer Wellenleitrichtung einer in der aktiven Zone im Betrieb erzeugten Laserstrahlung eingerichtet. Ein erster elektrischer Kontakt befindet sich an dem ersten Halbleiterbereich und ein zweiter elektrischer Kontakt befindet sich an dem zweiten Halbleiterbereich. Weiterhin beinhaltet der Halbleiter-Streifenlaser mindestens einen Wärmespreizer, der wenigstens bis zu einer Temperatur von 220 °C formstabil mit dem Halbleiterkörper verbunden ist. Der Wärmespreizer weist eine mittlere Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/mK auf.
  • Eine optische Ausgangsleistung von Halbleiterbauelementen wird unter anderem durch eine Abwärme im Betrieb vermindert oder begrenzt. Beispielsweise bei auf GaN basierenden Halbleiterlasern werden nur etwa 10 % bis 40 % einer elektrischen Energie in Licht umgewandelt. Die restliche Energie wird in Wärme dissipiert und muss aus dem Bauelement abgeführt werden. Eine Wärmeabfuhr der Verlustwärme hin zu einer Wärmesenke wird bei herkömmlichen Halbleiterlasern durch Materialien, die für eine erforderliche Passivierung der Bauteile verwendet werden, vermindert. Ebenso vermindern Lotschichten eine effiziente Wärmeabfuhr. So sind bei herkömmlichen Halbleiterlasern Passivierungsschichten üblicherweise aus einem Siliziumoxid geformt und ein Wärmespreizer etwa aus einem Aluminiumnitrid wird an den Halbleiterkörper angelötet.
  • Bei dem hier beschriebenen Halbleiter-Streifenlaser ist der Wärmespreizer insbesondere anstelle einer Passivierung unmittelbar an den Chip aufgebracht, sodass eine thermische Barriere etwa durch eine Lotschicht zwischen dem Wärmespreizer und dem Halbleiterkörper entfällt. Zum Beispiel bei einer Montage über diejenige Seite, an der der Streifenwellenleiter geformt ist, ist es dann möglich, eine Abwärme aus der aktiven Zone nicht nur über das in der Regel gut wärmeleitende Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers abzuleiten, sondern eine effiziente Wärmeabfuhr hin zu einer Wärmesenke auch über den Wärmespreizer ist möglich. Dabei wird ein Wärmestrom bereits in dem Wärmespreizer aufgeweitet, was etwa bei einer Lotgrenzfläche des Halbleiter-Streifenlasers hin zu einer Wärmesenke mit einem reduzierten thermischen Widerstand einhergehen kann.
  • Da der Wärmespreizer direkt auf den Halbleiter-Streifenlaser angebracht und/oder unmittelbar in den Halbleiter-Streifenlaser integriert ist, entfällt eine thermische Barriere eines Lots zwischen dem Halbleiter-Streifenlaser und dem Wärmespreizer. Zusätzlich entfällt bei der Montage des Halbleiter-Streifenlasers eine Befestigung des Halbleiter-Streifenlasers an dem ansonsten separaten Wärmespreizer. Hierdurch sind Herstellungstoleranzen bezüglich der Positionierung vergrößerbar, einhergehend mit einer Kostenersparnis. Weiterhin entfällt die Gefahr, dass bei einer späteren Lötung des Halbleiter-Streifenlasers auf eine Wärmesenke eine Lötung zwischen dem Halbleiterkörper und dem Wärmespreizer ungewollt aufschmilzt. Ein Lot ist dann bevorzugt nur noch zwischen dem Wärmespreizer, der in den Halbleiter-Streifenlaser integriert ist, und einer externen Wärmesenke erforderlich, sodass sich ein Lot weiter von einem Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers entfernt befindet, wodurch eine Gefahr von elektrischen Kurzschlüssen während eines Montageprozesses ferner vermindert werden kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Wärmespreizer eines oder mehrere der folgenden Materialien auf oder besteht aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: einem Carbid wie Siliziumcarbid oder Borcarbid, einem Halbleitermaterial wie Silizium oder Germanium, einem Nitrid wie Aluminiumnitrid oder Bornitrid oder Berylliumnitrid, einem Oxid wie Berylliumoxid, diamantähnlichem Kohlenstoff.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Wärmespreizer beiderseits des Streifenwellenleiters aufgebracht, in Draufsicht auf den Streifenwellenleiter entlang einer Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers gesehen. Dies schließt nicht aus. dass der Streifenwellenleiter von dem Wärmespreizer zusätzlich teilweise oder vollständig überdeckt ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform berührt der Wärmespreizer den Streifenwellenleiter wenigstens stellenweise. Beispielsweise berührt der Wärmespreizer zumindest oder nur Seitenflächen des Streifenwellenleiters. Die Seitenflächen des Streifenwellenleiters können vollständig von einem Material des Wärmespreizers bedeckt sein. Ebenso kann der Wärmespreizer stellenweise oder ganzflächig eine der aktiven Zone abgewandte Seite des Streifenwellenleiters berühren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich der Wärmespreizer vollständig entlang des Streifenwellenleiters, entlang der Wellenleitrichtung. Eine Länge des Wärmespreizers ist dann gleich oder größer einer Länge des Streifenwellenleiters, insbesondere entlang der Wellenleitrichtung.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Wärmespreizer eine Breite auf, in Richtung senkrecht zu dem Streifenwellenleiter und in Richtung senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge, die mindestens 30 μm oder 50 μm oder 100 μm oder 150 μm beträgt. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Breite bei höchstens 500 μm oder 300 μm oder 200 μm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdeckt der zweite elektrische Kontakt den Wärmespreizer stellenweise oder vollständig, in Draufsicht auf den Streifenwellenleiter gesehen. Es ist möglich, dass der zweite elektrische Kontakt den Wärmespreizer ganzflächig oder stellenweise berührt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zweite elektrische Kontakt aus einem oder mehreren der nachfolgend genannten Materialien hergestellt oder weist eines oder mehrere dieser Materialien auf: Silber, Gold, Chrom, Nickel, Palladium, Platin, Titan.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform überragt der Streifenwellenleiter den Wärmespreizer, in Richtung weg von der aktiven Zone und/oder in Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet der Halbleiter-Streifenlaser mindestens eine Passivierungsschicht. Die Passivierungsschicht ist zu einem Schutz des Halbleiter-Streifenlasers, insbesondere zu einem Schutz des Halbleiterkörpers, eingerichtet. Die Passivierungsschicht ist bevorzugt elektrisch isolierend gestaltet. Ferner ist die Passivierungsschicht bevorzugt gasundurchlässig, speziell gegenüber Luftsauerstoff und Luftwasserdampf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform steht die Passivierungsschicht in direktem Kontakt mit dem zweiten Halbleiterbereich und mit dem Wärmespreizer. Es ist möglich, dass die Passivierungsschicht ausschließlich den Wärmespreizer und den zweiten Halbleiterbereich berührt. Ferner ist es möglich, dass sich die Passivierungsschicht vollständig oder teilweise zwischen dem zweiten Halbleiterbereich und dem Wärmespreizer befindet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Passivierungsschicht eine Dicke von höchstens 50 nm oder 100 nm oder 200 nm oder 400 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Passivierungsschicht bei mindestens 10 nm oder 20 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Passivierungsschicht aus einem Oxid wie Al2O3 oder SiO2 gebildet oder auch aus einem Nitrid wie Si3N4.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind Seitenflächen des Streifenwellenleiters frei von der Passivierungsschicht. In diesem Fall sind die Seitenflächen bevorzugt wenigstens stellenweise von dem Wärmespreizer bedeckt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform schließt der Wärmespreizer in Richtung weg von der aktiven Zone und/oder in Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers bündig mit dem Streifenwellenleiter und/oder mit dem zweiten elektrischen Kontakt ab. Alternativ ist es möglich, dass der Wärmespreizer entlang dieser Richtung den zweiten elektrischen Kontakt überragt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedeckt der zweite elektrische Kontakt den Streifenwellenleiter vollständig, in Draufsicht gesehen. Mit anderen Worten kann sich dann der Streifenwellenleiter vollständig zwischen dem zweiten elektrischen Kontakt und der aktiven Zone befinden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Wärmespreizer eine oder mehrere Teilschichten auf, die aus einem Halbleitermaterial gebildet sind. Es ist möglich, dass der Wärmespreizer aus einem oder mehreren Halbleitermaterialien besteht. Insbesondere steht der Wärmespreizer dann in direktem Kontakt mit dem zweiten Halbleiterbereich, der p-dotiert sein kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Halbleitermaterial des Wärmespreizers undotiert, also intrinsisch leitend, oder dotiert. Im Falle eines dotierten Halbleitermaterials oder zumindest einer dotierten Schicht ist der Wärmespreizer bevorzugt entgegengesetzt zu einem Material des zweiten Halbleiterbereichs dotiert. Insbesondere kann in dem Wärmespreizer und/oder an einer Grenzfläche zu dem zweiten Halbleitermaterial ein pn-Übergang realisiert sein, insbesondere in Sperrrichtung im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Halbleiter-Streifenlasers.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiter-Streifenlaser eine oder mehrere Lotschichten. Die mindestens eine Lotschicht ist aus einem Lot, bevorzugt aus einem Weichlot wie einem Gold-Zinn-Lot oder einem Silber-Zinn-Lot gebildet. Die Lotschicht oder zumindest eine der Lotschichten steht bevorzugt in direktem physischen Kontakt zu dem zweiten elektrischen Kontakt und optional auch zu dem Wärmespreizer.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdeckt die Lotschicht oder mindestens eine der Lotschichten den zweiten elektrischen Kontakt vollständig, in Draufsicht gesehen und entlang einer Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge. Es ist dabei möglich, dass die Lotschicht eine kleinere laterale Ausdehnung, dieselbe laterale Ausdehnung oder eine größere laterale Ausdehnung aufweist als der Halbleiterkörper.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Wärmespreizer zwei oder mehr als zwei Teilgebiete auf. Die Teilgebiete sind insbesondere aus voneinander verschiedenen Materialien oder Materialzusammensetzungen gebildet, beispielsweise aus unterschiedlichen Metallen oder aus unterschiedlichen Nitriden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform folgen die Teilgebiete des Wärmespreizers in Richtung weg von der aktiven Zone, also in Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers, und/oder in lateraler Richtung weg von dem Streifenwellenleiter und/oder entlang der Wellenleitrichtung mittelbar oder unmittelbar aufeinander. Die Teilgebiete des Wärmespreizers sind, zumindest an einer Seite des Streifenwellenleiters, zusammenhängend ausgebildet.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist wenigstens eines der Teilgebiete des Wärmespreizers einen mittleren Abstand von höchstens 25 μm oder 50 μm oder 100 μm zu einer Facette des Halbleiterkörpers auf. Das entsprechende Teilgebiet kann direkt an die Facette angrenzen und/oder einen Teil der Facette bilden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Facette eine Lichtaustrittsfläche des Halbleiterkörpers und/oder des Halbleiter-Streifenlasers. Die Facette ist insbesondere als ein Resonatorspiegel des Halbleiter-Streifenlasers gebildet. Es ist möglich, dass die Facette senkrecht zu der Wellenleitrichtung des Streifenwellenleiters orientiert ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der oder ist einer der Wärmespreizer an dem ersten Halbleiterbereich angeordnet. Dieser Wärmespreizer kann den ersten Halbleiterbereich berühren. Insbesondere ist dann dieser Wärmespreizer von dem Streifenwellenleiter beabstandet angeordnet, wobei der Wärmespreizer den zweiten Halbleiterbereich nicht zu berühren braucht.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Wärmespreizer mindestens eine Öffnung auf. Die wenigstens eine Öffnung durchdringt den Wärmespreizer bevorzugt vollständig. Durch die mindestens eine Öffnung hindurch ist der Halbleiterkörper mittels eines elektrischen Verbindungsmittels hindurch elektrisch kontaktiert. Das elektrische Verbindungsmittel, insbesondere ein Lot oder eine Metallisierung, kann durch den Wärmespreizer hindurch mit dem ersten und/oder dem zweiten elektrischen Kontakt oder auch mit dem ersten Halbleiterbereich und/oder dem zweiten Halbleiterbereich elektrisch leitend verbunden sein.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen dem oder einem der Wärmespreizer und dem Halbleiterkörper eine Metallschicht. Beispielsweise befindet sich eine solche Metallschicht zwischen dem ersten Halbleitermaterial und dem Wärmespreizer und kann diese beiden Komponenten jeweils berühren. Bei dieser Metallschicht handelt es sich bevorzugt nicht ein Lot.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der erste und/oder der zweite elektrische Kontakt mindestens zwei Teillagen. Bevorzugt sind alle Teillagen ohmsch leitend gestaltet. Die Teillagen können jeweils in Richtung weg von dem Streifenwellenleiter, entlang einer lateralen Richtung oder in Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge, direkt aufeinander folgen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die sich näher an dem Streifenwellenleiter befindliche Teillage des ersten und/oder des zweiten elektrischen Kontakts aus einem Halbleitermaterial oder aus einem transparenten leitfähigen Oxid gebildet. Beispielsweise besteht diese Teillage aus einem oder mehreren der nachfolgend genannten Materialien oder weist eines oder mehrere dieser Materialien auf: Zinkoxid, Indium-Zinn-Oxid oder kurz ITO, Aluminiumnitrid, Galliumnitrid, Indiumnitrid, AlGaN, InGaN, AlInGaN. Alternativ oder zusätzlich weist eine sich weiter von dem Streifenwellenleiter entfernt befindliche Teillage des ersten und/oder des zweiten elektrischen Kontakts eines oder mehrere der folgenden Materialien auf oder besteht aus einem oder mehreren dieser Materialien: Aluminium, Gold, Chrom, Nickel, Palladium, Platin, Titan.
  • Darüber hinaus wird ein Halbleiterbauteil angegeben. Das Halbleiterbauteil umfasst einen oder mehrere der Halbleiter-Streifenlaser, wie in Verbindung mit einer oder mehreren der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale des Halbleiterbauteils sind daher auch für den Halbleiter-Streifenlaser offenbart und umgekehrt.
  • In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Halbleiterbauteil einen Träger. Der mindestens eine Halbleiter-Streifenlaser ist an dem Träger befestigt, bevorzugt mittels einer Lotschicht angelötet. Bei dem Träger handelt es sich ferner um eine Wärmesenke. Außerdem kann der Träger elektrische Leiterbahnen und elektrische Anschlusseinrichtungen zu einem elektrischen Betreiben des Halbleiter-Streifenlasers aufweisen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich der Wärmespreizer zwischen dem Halbleiterkörper des Halbleiter-Streifenlasers und der Lotschicht. Insbesondere ist die Lotschicht auf einen solchen Bereich begrenzt, sodass ein Gebiet zwischen dem Wärmespreizer und dem Halbleiterkörper frei von einem Lot ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform berühren sich der Wärmespreizer und die Lotschicht. Insbesondere ist der Halbleiter-Streifenlaser über den Wärmespreizer und die Lotschicht an dem Träger befestigt, sodass die Lotschicht den Wärmespreizer und den Träger berührt. Es ist möglich, dass die Lotschicht ausschließlich den Träger und den Wärmespreizer berührt.
  • Nachfolgend werden ein hier beschriebener Halbleiter-Streifenlaser und ein hier beschriebenes Halbleiterbauteil unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • Es zeigen: 1, 3 bis 10 und 13 bis 21 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiter-Streifenlasern,
  • 2 und 12 schematische Schnittdarstellungen von Abwandlungen von hier beschriebenen Halbleiter-Streifenlasern oder von Halbleiterbauteilen,
  • 11 und 23 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterbauteilen mit hier beschriebenen Halbleiter-Streifenlasern,
  • 22 eine perspektivische Darstellung sowie Draufsichten eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Halbleiterbauteils mit einem hier beschriebenen Halbleiter-Streifenlaser, und
  • 24 eine schematische Auftragung von Wärmeleitfähigkeiten gegenüber Ausdehnungskoeffizienten verschiedener Materialien.
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiter-Streifenlasers 1 gezeigt. Der Halbleiter-Streifenlaser 1 weist einen Halbleiterkörper 10 auf. Entlang einer Wachstumsrichtung z folgen ein erster, n-dotierter Halbleiterbereich 11, eine aktive Zone 12 sowie ein zweiter, p-dotierter Halbleiterbereich 13 unmittelbar aufeinander. Ein Streifenwellenleiter 3 erstreckt sich in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 1. Eine Wellenleitrichtung L von Laserstrahlung in dem Halbleiter-Streifenlaser ist ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene der 1 orientiert.
  • Der Streifenwellenleiter 3 ist beispielsweise durch Ätzen aus dem zweiten Halbleiterbereich 13 heraus geformt. Entlang der Wachstumsrichtung z weist der Streifenwellenleiter 3 beispielsweise eine Ausdehnung von mindestens 100 nm oder 600 nm und/oder von höchstens 5 μm oder 3 μm oder 1,5 μm auf. Eine Breite des Streifenwellenleiters 3 entlang einer lateralen Richtung y in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung z liegt beispielsweise bei mindestens 1 μm oder 1,5 μm und alternativ oder zusätzlich bei höchstens 100 μm oder 50 μm oder 15 μm. Seitenflächen 30 des Streifenwellenleiters 3 können parallel oder näherungsweise parallel zur Wachstumsrichtung z orientiert sein. Die genannten Werte können auch für alle anderen Ausführungsbeispiele gelten.
  • Ferner weist der Streifenwellenleiter 1 einen Wärmespreizer 2 auf. Der Wärmespreizer 2 ist bevorzugt aus einem hoch wärmeleitfähigen Material gebildet und fest in dem Halbleiter-Streifenlaser 1 integriert. Ferner weist der Wärmespreizer 2 bevorzugt eine geringe Stromleitfähigkeit und ein geringes Absorptionsvermögen hinsichtlich einer in dem Halbleiter-Streifenlaser im Betrieb erzeugten Laserstrahlung auf. Beispielsweise ist der Wärmespreizer 2 aus Siliziumcarbid, aus diamantähnlichem Kohlenstoff oder kurz DLC, aus GaN, als AlN oder aus AlGaN geformt und weist bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/mK auf. Durch den Wärmespreizer 2 ist insbesondere eine Wärmeverteilung entlang der lateralen Richtung y gewährleistet.
  • Außerdem beinhaltet der Halbleiter-Streifenlaser 1 einen ersten elektrischen Kontakt 41 an dem ersten Halbleiterbereich 11 sowie einen zweiten elektrischen Kontakt 43 an dem zweiten Halbleiterbereich 13. Bei den elektrischen Kontakten 41, 43 handelt es sich bevorzugt um ohmsch leitende Bereiche. Beispielsweise sind der erste und/oder der zweite elektrische Kontakt 41, 43 durch eine oder mehrere Metallschichten und/oder durch eine oder mehrere Schichten aus einem transparenten leitfähigen Oxid gebildet. Die ersten und zweiten elektrischen Kontakte 41, 43 weisen bevorzugt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Stromleitfähigkeit auf. Es ist nicht erforderlich, dass die Kontakte 41, 43 eine hohe Reflektivität und/oder eine geringe Absorptivität hinsichtlich der im Betrieb des Halbleiter-Streifenlasers 1 erzeugten Laserstrahlung aufweisen.
  • Der zweite elektrische Kontakt 43 weist entlang der lateralen Richtung y bevorzugt eine konstante Dicke auf. Somit kann sich in dem zweiten elektrischen Kontakt 43 eine Stufe ausbilden. Diese Stufe liegt entlang der Wachstumsrichtung z in Verlängerung der Seitenflächen 30 des Streifenwellenleiters 3.
  • Der Wärmespreizer 2 weist, wie bevorzugt auch in allen Ausführungsbeispielen, einen elektrischen Widerstand von mindestens 10–2 Ωcm oder von mindestens 1 Ωcm auf. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn der Wärmespreizer 2 aus Halbleiterschichten geformt ist, die undotiert sind. Ist der Wärmespreizer aus Halbleiterschichten geformt, die dotiert sind, so kann ein pn-Übergang hin zu dem Halbleiterkörper 10 realisiert sein. Ein Absorptionsvermögen des Wärmespreizers 2 hinsichtlich der im Halbleiter-Streifenlaser 1 erzeugten Strahlung ist bevorzugt bei höchstens 5000 1/cm.
  • Außerdem ist ein effektiver Brechungsindex des Wärmespreizers 2 bevorzugt kleiner als ein effektiver Brechungsindex der aktiven Zone 12. Beispielsweise liegt der Brechungsindex oder der effektive Brechungsindex des Wärmespreizers 2 bei höchstens 2,5 oder 2,6 im Falle eines auf GaN basierenden Halbleiter-Streifenlasern 1.
  • In 2 ist ein herkömmlicher Streifenlaser gezeigt. Der Streifenwellenleiter 3 ist in lateraler Richtung von einer Passivierungsschicht 5 begrenzt. Die Passivierungsschicht 5 weist eine vergleichsweise große Dicke auf und reicht näherungsweise an eine dem ersten elektrischen Kontakt 41 abgewandte Seite des Streifenwellenleiters 3 heran. Die Passivierungsschicht 5 ist aus einem dielektrischen Material wie Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Siliziumnitrid geformt. Daher weist die Passivierungsschicht 5 eine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit auf. Durch die Passivierungsschicht 5 wird somit eine laterale Wärmespreizung verhindert oder verringert. Damit geht eine schlechtere Entwärmung des Streifenlasers einher, wenn eine Montage an einer Wärmesenke über den zweiten elektrischen Kontakt 43 erfolgt.
  • Beim Ausführungsbeispiel, wie in 3 gezeigt, ist die Passivierungsschicht 5 zwischen dem Halbleiterkörper 10 und dem Wärmespreizer 2 aufgebracht. Es ist möglich, dass in Richtung z weg von der aktiven Zone 12 die Passivierungsschicht 5 bündig mit einer der aktiven Zone 12 abgewandten Seite des Streifenwellenleiters 3 abschließt. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass der zweite elektrische Kontakt 43 den Streifenwellenleiter 3 in lateraler Richtung y beidseitig überragt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist es möglich, dass der Wärmespreizer 2 aus einem thermisch gut leitenden Metall wie Silber geformt ist.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 bedeckt die Passivierungsschicht 5 die Seitenflächen 30 des Streifenwellenleiters 3 sowie verbleibende Bereiche des zweiten Halbleiterbereichs 13. Die Passivierungsschicht 5 ist dabei bevorzugt sehr dünn gestaltet. Beispielsweise beträgt eine Dicke der Passivierungsschicht 5 höchstens 100 nm oder 50 nm oder 10 nm. Die Passivierungsschicht 5 ist etwa mittels Atomlagenabscheidung, kurz ALD, aufgebracht. Ebenso kann die Passivierungsschicht 5 eine kristalline Schicht sein.
  • Durch eine solche, dünne Passivierungsschicht 5 ist kein signifikanter thermischer Widerstand gegeben. Hierdurch ist eine effiziente Wärmeaufspreizung durch den Wärmespreizer 2 in lateraler Richtung y gegeben. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass der Streifenwellenleiter 3, der zweite elektrische Kontakt 43, der erste elektrische Kontakt 41 und/oder der Wärmespreizer 2 symmetrisch zu einer Ebene senkrecht zur Zeichenebene und parallel zur Wachstumsrichtung z aufgebaut sind.
  • Der Wärmespreizer 2 kann in Richtung parallel zur Wachstumsrichtung z bündig mit dem zweiten elektrischen Kontakt 43 abschließen, in Richtung z weg von der aktiven Zone 12.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist die Passivierungsschicht 5 auf eine der aktiven Zone 12 abgewandten Seite des zweiten Halbleiterbereichs 13 beschränkt. Die Seitenflächen 30 des Streifenwellenleiters 3 sind damit im Wesentlichen nicht von der Passivierungsschicht 5 bedeckt.
  • Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass der Streifenwellenleiter 3 in den zweiten elektrischen Kontakt 43 hineinragt, anders als in Verbindung etwa mit 4 gezeigt, wonach der zweite elektrische Kontakt 43 bündig mit dem Streifenwellenleiter 3 abschließt, parallel zur Wachstumsrichtung z. Das heißt, gemäß 5 sind die Seitenflächen 30 teilweise von einem Material des zweiten elektrischen Kontakts 43 bedeckt.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß 6 reicht die Passivierungsschicht 5 nicht bis an die Seitenflächen 30 des Streifenwellenleiters 3 heran. Ein Abstand zwischen der Passivierungsschicht 5 und den Seitenflächen 30 liegt bevorzugt bei höchstens 100 μm oder 10 μm oder 1 µm. In diesem Fall dient die Passivierungsschicht 5 insbesondere zur Isolation von Chipkanten. Anders als dargestellt, kann sich die Passivierungsschicht 5 auf Seitenflächen des Halbleiterkörpers 10 erstrecken. Durch eine solche Passivierungsschicht 5 ist ein effizienter Wärmeabtransport aus dem Bereich des Streifenwellenleiters 3 heraus nach allen Richtungen gewährleistbar.
  • Im Ausführungsbeispiel gemäß 7 grenzt der Wärmespreizer 2 ganz oder teilweise an eine der aktiven Zone 12 abgewandte Oberkante des zweiten elektrischen Kontakts 43. Es kann der Wärmespreizer 2 den zweiten elektrischen Kontakt 43 überragen, entlang der Wachstumsrichtung z. Es ist möglich, dass der Wärmespreizer 2 als Lötstoppbereich fungiert, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen.
  • Gemäß 8 ist der Wärmespreizer 2 aus einem undotierten Halbleitermaterial gebildet. Somit kann der Wärmespreizer 2 auf demselben Halbleitermaterial basieren wie der Halbleiterkörper 10. Jedoch unterscheidet sich der Wärmespreizer 2 bevorzugt in der Dotierung von dem zweiten Halbleiterbereich 13.
  • Ist der Wärmespreizer 2 dotiert, so ist eine Dotierung des Wärmespreizers 2 bevorzugt umgekehrt zu einer Dotierung des zweiten Halbleiterbereichs 13. Ist beispielsweise der zweite Halbleiterbereich 13 p-dotiert, so ist der Wärmespreizer 2 dann n-dotiert.
  • Eine Stromeinprägung in den Halbleiterkörper 10 durch den Wärmespreizer 2 ist damit verhinderbar oder reduzierbar. Eine Bestromung über den zweiten elektrischen Kontakt 43 erfolgt damit im Wesentlichen nur durch den Streifenwellenleiter 3 hindurch.
  • Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass sich der erste elektrische Kontakt 41 über eine komplette, der aktiven Zone 12 abgewandten Seite des ersten Halbleiterbereichs 11 erstreckt.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß 9 ist der Wärmespreizer 2 aus mehreren Teilgebieten 2a, 2b, 2c zusammengesetzt. Die Teilgebiete 2a, 2b, 2c folgen entlang der Wachstumsrichtung z unmittelbar aufeinander und können bis an eine der aktiven Zone 12 abgewandten Seite des Streifenwellenleiters 3 reichen. Die Teilgebiete 2a, 2b, 2c können unterschiedliche oder auch gleiche Dicken aufweisen.
  • Die Teilgebiete 2a, 2b, 2c, die jeweils als Schichten ausgebildet sind, sind bevorzugt abwechselnd dotiert. Das dem zweiten Halbleiterbereich 13 nächstgelegene Teilgebiet 2a weist bevorzugt eine dem zweiten Halbleiterbereich 13 entgegengesetzte Dotierung auf. Ist beispielsweise der zweite Halbleiterbereich 13 p-dotiert, so sind die Teilgebiete 2a, 2c jeweils n-dotiert und das Teilgebiet 2b ist p-dotiert. Hierdurch ist zumindest ein pn-Übergang in Sperrrichtung in dem Wärmespreizer 2 geformt, sodass eine Bestromung auf den Streifenwellenleiter 3 beschränkt ist. Für die Sperrwirkung kann bereits eines der Teilgebiete 2a, 2b, 2c ausreichend sein, siehe auch 8, sodass zwei der Teilgebiete 2a, 2b, 2c optional sind.
  • Optional ist es möglich, dass mittels des Wärmespreizers 2, wenn dieser insbesondere auf Halbleitermaterialien basiert, und über eine geeignete elektrische Verschaltung auch eine Schutzdiode gegen Schäden durch elektrostatische Entladung realisiert ist.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß 10 weist der Halbleiter-Streifenlaser 1 zusätzlich eine Lotschicht 6 auf. Die Lotschicht 6 ist an dem zweiten elektrischen Kontakt 43 angebracht und erstreckt sich optional in lateraler Richtung y auch auf den Wärmespreizer 2. Die Lotschicht 6 ist entlang der lateralen Richtung y bevorzugt schmaler als eine Ausdehnung des Halbleiterkörpers 10 und/oder des Halbleiter-Streifenlasers 1. Jedoch kann durch einen späteren Lötprozess die Lotschicht 6 entlang der lateralen Richtung y fließen und breiter werden.
  • In 11 ist ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauteils 100 mit einem Halbleiter-Streifenlaser 1 und mit einem Träger 8 gezeigt. Der Träger 8 fungiert bevorzugt als Wärmesenke für den Halbleiter-Streifenlaser 1. Ebenso kann über den Träger 8 eine elektrische Kontaktierung des Halbleiter-Streifenlasers 1 erreicht sein.
  • Der Halbleiter-Streifenlaser 1 gemäß 11 ist beispielsweise aufgebaut, wie in Verbindung mit 10 beschrieben. Dabei sind, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich, der Wärmespreizer 2 und der Halbleiterkörper 10 gleich breit oder es weist der Halbleiterkörper 10 eine größere Breite auf als der Wärmespreizer 2, entlang der lateralen Richtung y.
  • Eine Dicke des Wärmespreizers 2 entlang der Wachstumsrichtung z ist bevorzugt höchstens 5 μm. Die Lotschicht 6 ist nach dem Aufschmelzen, vergleiche 10, bevorzugt genauso breit wie der Halbleiterkörper 10 und/oder wie der Halbleiter-Streifenlaser 1. Alternativ ist es möglich, dass die Lotschicht 6 entlang der lateralen Richtung y den Halbleiterkörper 10 und/oder den Halbleiter-Streifenlaser 1 je zu höchstens 200 μm oder 100 μm überragt. Alternativ kann die Lotschicht 6 in der lateralen Richtung y auch von dem Halbleiterkörper 10 und/oder von dem Halbleiter-Streifenlaser 1 überragt werden, zum Beispiel um höchstens 50 µm oder 100 µm.
  • Es können laterale Begrenzungsflächen der Lotschicht 6 schräg zu der Wachstumsrichtung z orientiert sein. Weiterhin ist es optional möglich, dass sich die Lotschicht 6 auf laterale Begrenzungsflächen des Wärmespreizers 2 erstreckt.
  • Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, in denen eine Passivierungsschicht nicht explizit gezeigt ist, ist es im Zusammenhang mit 11 möglich, dass eine solche Passivierungsschicht vorhanden ist, insbesondere wie in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen gemäß der 3 bis 6 dargestellt.
  • In 12 ist eine Abwandlung eines Halbleiterbauteils dargestellt. Gemäß 12 weist der Streifenlaser zwei Lotschichten 6a, 6b auf. Mittels der ersten Lotschicht 6a ist der Wärmespreizer 2, der beispielsweise aus Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid, Bornitrid, Galliumnitrid oder diamantähnlichem Kohlenstoff geformt ist, an verbleibende Teile des Halbleiter-Streifenlasers 1 angelötet. Eine Dicke des Wärmespreizers 2 liegt dabei zwischen 10 μm und 1000 μm. Mit der zweiten Lotschicht 6b ist dann der Wärmespreizer 2 an den Träger 8 gelötet. Somit befindet sich, anders als beim Ausführungsbeispiel gemäß 11, zwischen dem Wärmespreizer 2 und dem Halbleiterkörper 10 eine Lotschicht 6a, die einen zusätzlichen thermischen Widerstand darstellt. Insbesondere ist nahe des Streifenwellenleiters 3 durch die Passivierungsschicht 5 keine effiziente, laterale Wärmespreizung realisiert.
  • Somit sind bei dem Streifenlaser gemäß 12 zwei Lotprozesse vorzunehmen und damit sind eine Montage und eine Fertigung des Bauteils gemäß 12 aufwändiger als bei dem Halbleiterbauteil 100, wie in Verbindung mit 11 dargestellt. Ferner müssen, um ein Aufschmelzen der ersten Lotschicht 6a beim Verarbeiten der zweiten Lotschicht 6b zu verhindern, die Lote unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. Durch die zwei Lotschichten 6a, 6b ist auch ein Gesamtwärmewiderstand erhöht. Ferner besteht die Gefahr, dass insbesondere Material aus der Lotschicht 6a über eine Chipkante migriert und zu Kurzschlüssen führt. Insbesondere bei einer Montage über den zweiten elektrischen Kontakt 43, der eine p-Metallisierung darstellen kann, ist die aktive Zone 12 nur ungefähr 1 μm oder weniger von der ersten Lotschicht 6a entfernt.
  • Beim Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauteils 100, wie in 11 dargestellt, ist dagegen eine vereinfachte Prozessführung mit nur einem Lotprozess möglich. Durch eine geringere Gesamtlotdicke ist ein verbesserter Wärmewiderstand erzielbar und eine Kurzschlussgefahr aufgrund von Lotmigration ist durch den Wärmespreizer minimiert, aufgrund der geringeren Breite der Lotschicht 6 und aufgrund des erhöhten Abstands der Lotschicht 6 zu der aktiven Zone 12.
  • In 13 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt. Gemäß 13 setzt sich der zweite elektrische Kontakt 43 aus zwei Teillagen 43a, 43b zusammen. Die sich näher an der aktiven Zone 12 befindliche erste Teillage 43a weist bevorzugt eine geringere Absorption für die im Betrieb des Halbleiter-Streifenlasers 1 erzeugte Laserstrahlung auf als die sich weiter von der aktiven Zone 12 befindliche zweite Teillage 43b. Beispielsweise ist die erste Teillage 43a aus ZnO, ITO, AlN, GaN, InN, AlGaN, InGaN oder AlInGaN gebildet. Die zweite Teillage 43b ist beispielsweise aus Ti, Cr, Zr, Pt, Ni, Pd, Au oder Al sowie Kombinationen hieraus gebildet. Dabei kann sich entlang der Wachstumsrichtung z der Wärmespreizer 2 bis in die erste Teillage 43a oder, anders als dargestellt, auch bis an die zweite Teillage 43b erstrecken.
  • Wie in 14 gezeigt ist es auch möglich, dass die Teillagen 43a, 43b unterschiedliche Ausdehnungen entlang der lateralen Richtung y aufweisen. Beispielsweise ist die sich näher an der aktiven Zone 12 befindliche erste Teillage 43a entlang der lateralen Richtung y auf den Streifenwellenleiter 3 beschränkt. Die zweite Teillage 43b überragt den Streifenwellenleiter 3 entlang der lateralen Richtung y und erstreckt sich auch auf den Wärmespreizer 2.
  • Derart geformte zweite elektrische Kontakte 43 können auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein. Auf die gleiche Weise ist es möglich, dass der erste elektrische Kontakt 41 mehrere der Teillagen aufweist.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß 15 ist der Wärmespreizer 2 mehrschichtig aufgebaut. Die schichtförmigen Teilgebiete 2a, 2b folgen entlang der Wachstumsrichtung z unmittelbar aufeinander.
  • Beispielsweise ist das erste Teilgebiet 2a, das sich direkt an dem zweiten Halbleitergebiet 13 befindet, hinsichtlich einer thermischen Leitfähigkeit und hinsichtlich einer optimalen Wärmeauskopplung aus dem Halbleiterkörper 10 heraus optimiert. Das zweite Teilgebiet 2b ist beispielsweise optimiert auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, um keine oder reduzierte Spannungen in dem Halbleiterkörper 10 zu gewährleisten. Die Teilgebiete 2a, 2b können sich in ihrer mechanischen Härte, ihrer elektrischen Leitfähigkeit, dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und auch in anderen Eigenschaften unterscheiden.
  • Gemäß 16 sind die Teilgebiete 2a, 2b entlang der lateralen Richtung y aufeinanderfolgend angeordnet. Beispielsweise ist das sich unmittelbar an dem Streifenwellenleiter 3 befindliche erste Teilgebiet 2a elektrisch isolierend gestaltet und das zweite Teilgebiet 2b ist aus einem Metall geformt.
  • Gemäß 17 folgen die Teilgebiete 2a, 2b sowohl entlang der Wachstumsrichtung z als auch entlang der lateralen Richtung y aufeinander. Das sich näher an der aktiven Zone 12 befindliche erste Teilgebiet 2a ist im Querschnitt gesehen L-förmig gestaltet. Das erste Teilgebiet 2a ist beispielsweise elektrisch isolierend gestaltet. Das zweite Teilgebiet 2b kann metallisch und/oder elektrisch leitend geformt sein.
  • In 18 ist gezeigt, dass der Wärmespreizer 2 an einer dem Halbleiterkörper 10 abgewandten Seite des ersten elektrischen Kontakts 41 als Schicht aufgebracht ist. Der Wärmespreizer 2 hat hierbei bevorzugt die gleiche Breite wie der Halbleiterkörper 10 und/oder der Halbleiter-Streifenlaser 1, bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 100 μm oder 50 μm oder 20 μm. Der Wärmespreizer 2 ist bevorzugt elektrisch leitend, beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung, hergestellt.
  • Beim Ausführungsbeispiel gemäß 19 befindet sich der Wärmespreizer 2 direkt an dem Halbleiterkörper 10. Somit liegt der Wärmespreizer 2 zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 41 und dem ersten Halbleiterbereich 11. Zwischen dem Wärmespreizer 2 und dem Halbleiterkörper 10 befindet sich damit, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, kein Lot. Der Wärmespreizer 2 ist auch in diesem Ausführungsbeispiel elektrisch leitend gestaltet.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß 20 entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß 18, wobei an einer der aktiven Zone 12 abgewandten Seite des Wärmespreizers 2 eine weitere Metallschicht 7 und/oder Lotschicht 6 angebracht ist. Über die Lotschicht 6 ist eine elektrische und/oder mechanische und/oder thermische Kontaktierung des Halbleiter-Streifenlasers 1 an einem nicht gezeichneten externen Träger möglich.
  • Gemäß 21 sind in den Wärmespreizer 2 mehrere Öffnungen geformt, die den Wärmespreizer 2 entlang der Wachstumsrichtung z vollständig durchdringen. Über den ersten elektrischen Kontakt 41, der als Lotschicht 6 ausgeführt sein kann, ist ein elektrischer Kontakt hin zu dem Halbleiterkörper 10 realisiert. Der Wärmespreizer 2 kann dabei elektrisch leitend oder elektrisch isolierend gestaltet sein.
  • Solche Wärmespreizer 2 an dem ersten Halbleiterbereich 11, wie im Zusammenhang mit den 18 bis 21 gezeigt, können auch zusätzlich zu Wärmespreizern 2 an dem zweiten Halbleiterbereich 13 geformt sein. Somit können die Wärmespreizer 2 aus den 18 bis 21 mit Wärmespreizern 2 beispielsweise aus den 3 bis 10 kombiniert werden.
  • In 22 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauteils 100 gezeigt, siehe die perspektivische Darstellung in 22A und die schematischen Draufsichten in den 22B und 22C.
  • Der Streifenwellenleiter 3 erstreckt sich, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, bevorzugt vollständig entlang einer Lichtleitrichtung L. Es ist möglich, dass sich die in 22 nicht dargestellten elektrischen Kontakte 41, 43 ebenfalls vollständig entlang des Streifenwellenleiters 3 erstrecken oder sich auf bestimmte Bereiche beschränken. Insbesondere sind Bereiche nahe der Facetten 15 frei von den elektrischen Kontakte 41, 43.
  • Beispielsweise kann facettennah ein elektrisch isolierender Wärmespreizer 2a aufgebracht sein, um eine Bestromung der Facetten 15 zu unterbinden. In restlichen Bereichen ist bevorzugt ein elektrisch leitendes Teilgebiet 2b des Wärmespreizers 2 vorhanden, siehe die 22B und 22C. Es ist möglich, anders als dargestellt, dass das Teilgebiet 2b das elektrisch nicht leitende Teilgebiet 2a in facettennahen Bereichen überdeckt. Anders als dargestellt ist es möglich, dass das elektrisch isolierende Teilgebiet 2a auf nur eine der Facetten 15 beschränkt ist. Die Teilgebiete 2a, 2b können optional auch den Streifenwellenleiter 3 überdecken oder entlang der lateralen Richtung y jeweils nur seitlich neben dem Streifenwellenleiter 3 angebracht sein. In diesem Zusammenhang kann der Begriff facettennah einen Bereich bedeuten, der einen Abstand zu den Facetten 15 von höchstens 100 μm oder 50 μm oder 20 μm aufweist.
  • Bei dem Halbleiterbauteil 100, wie in 23 dargestellt, ist ein Halbleiter-Streifenlaser 1, wie in Verbindung mit 3 gezeigt, auf dem Träger 8 über die Lotschicht 6 aufgelötet.
  • Es beträgt eine Dicke der ersten und/oder der zweiten Metallisierung 41, 43 bevorzugt mindestens 50 nm oder 100 nm. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Dicke entlang der Wachstumsrichtung z bei höchstens 5 μm oder 10 μm. Der Halbleiterkörper 10 weist bevorzugt entlang der Wachstumsrichtung z eine Dicke von mindestens 20 μm oder 50 μm und/oder von höchstens 200 μm oder 1000 μm auf. Eine Passivierungsschicht 5 hat bevorzugt eine Dicke von höchstens 30 μm oder 2000 μm. Eine Dicke des Wärmespreizers 2 liegt bevorzugt bei mindestens 10 nm oder 100 nm und/oder bei höchstens 5 μm oder 500 μm. Die Lotschicht 6 weist bevorzugt eine Dicke von höchstens 10 μm auf. Eine Dicke des als Wärmesenke gestalteten Trägers 8 liegt bevorzugt bei höchstens 10 cm.
  • Der Halbleiterkörper 10 basiert bevorzugt auf AlGaInN, auf AlGaAsP, auf InGaAsP oder auf ZnSe. Der Halbleiterkörper 10 kann jeweils ein Aufwachssubstrat umfassen, jeweils nicht gezeichnet. Die Passivierungsschicht ist beispielsweise aus einem Siliziumoxid, einem Siliziumnitrid oder einem Zirkonoxid geformt. Der Wärmespreizer basiert oder umfasst oder besteht beispielsweise aus Siliziumcarbid, diamantähnlichem Kohlenstoff, Aluminiumnitrid, Galliumnitrid, Bornitrid oder Borkarbid. Die Lotschicht 6 umfasst bevorzugt Gold, Zinn, Indium, Nickel und/oder Silber. Ein Bestandteil, insbesondere eine Hauptkomponente des Trägers 8 als Wärmesenke stellt Kupfer dar. Die genannten Abmessungen und Materialien für die einzelnen Schichten in diesem und im vorhergehenden Absatz gelten, einzeln oder in Kombination, bevorzugt für alle Ausführungsbeispiele.
  • In 24 sind die thermischen Leitfähigkeiten λ verschiedener Materialien gegenüber deren thermischen Ausdehnungskoeffizienten α angegeben. Abhängig von einem verwendeten Material für den Halbleiterkörper 10 sind entsprechend angepasste Materialien auszuwählen, insbesondere falls der Wärmespreizer 2 mehrere Teilgebiete aufweist.
  • Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Halbleiter-Streifenlaser
    10
    Halbleiterkörper
    11
    erster Halbleiterbereich
    12
    aktive Zone
    13
    zweiter Halbleiterbereich
    15
    Facette des Halbleiterkörpers
    2
    Wärmespreizer
    3
    Streifenwellenleiter
    30
    Seitenfläche des Streifenwellenleiters
    41
    erster elektrischer Kontakt
    43
    zweiter elektrischer Kontakt
    5
    Passivierungsschicht
    6
    Lotschicht
    7
    Metallschicht
    8
    Träger
    100
    Halbleiterbauteil
    L
    Wellenleitrichtung
    y
    laterale Richtung
    z
    Wachstumsrichtung
    α
    thermischer Ausdehnungskoeffizient (in ppm/°C)
    λ
    thermische Leitfähigkeit (in W/mK)

Claims (15)

  1. Halbleiter-Streifenlaser (1) mit – einem ersten Halbleiterbereich (11) eines ersten Leitfähigkeitstyps eines Halbleiterkörpers (10), – einem zweiten Halbleiterbereich (13) eines anderen, zweiten Leitfähigkeitstyps des Halbleiterkörpers (10), – mindestens einer aktiven Zone (12) des Halbleiterkörpers (10) zur Erzeugung einer Laserstrahlung zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterbereich (11, 13), – einem Streifenwellenleiter (3), der mindestens in dem zweiten Halbeiterbereich (13) geformt ist und der zu einer eindimensionalen Wellenleitung entlang einer Wellenleitrichtung (L) einer in der aktiven Zone (12) im Betrieb erzeugten Laserstrahlung eingerichtet ist, – einem erstem elektrischen Kontakt (41) an dem ersten Halbleiterbereich (11), – einem zweitem elektrischen Kontakt (43) an dem zweiten Halbleiterbereich (13), und – mindestens einem Wärmespreizer (2), der wenigstens bis zu einer Temperatur von 220 °C formstabil mit dem Halbleiterkörper (10) verbunden ist und der eine mittlere Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/m·K aufweist.
  2. Halbleiter-Streifenlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Wärmespreizer (2) – lotfrei mit dem Halbleiterkörper (10) verbunden ist, sodass sich zwischen dem Wärmespreizer (2) und dem Halbleiterkörper (10) kein Lot befindet, – mindestens eines der folgenden Materialien aufweist oder hieraus besteht: SiC, Si, AlN, BN, BC, BeN, BeO, diamantähnlicher Kohlenstoff, – in direktem Kontakt mit dem zweiten Halbeiterbereich (13), der p-dotiert ist, steht, – beiderseits des Streifenwellenleiters (3) angebracht ist und den Streifenwellenleiter (3) berührt, und – eine Breite, in Richtung weg von dem Streifenwellenleiter (3), von mindestens 50 µm aufweist und sich in der Wellenleitrichtung (L) vollständig entlang des Streifenwellenleiters (3) erstreckt, wobei der Streifenwellenleiter (3) im Halbleiterkörper (10) ausschließlich in dem zweiten Halbeiterbereich (13) geformt ist.
  3. Halbleiter-Streifenlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Draufsicht auf den Streifenwellenleiter (3) gesehen der zweite elektrische Kontakt (43) den Wärmespreizer (2) stellenweise überdeckt und den Wärmespreizer (2) stellenweise berührt, wobei der zweite elektrische Kontakt (43) mindestens eines der folgenden Materialien aufweist oder hieraus besteht: Ag, Au, Cr, Ni, Pd, Pt, Ti, und wobei der Streifenwellenleiter (3) den Wärmespreizer (2) überragt, in Richtung weg von der aktiven Zone (12).
  4. Halbleiter-Streifenlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend zumindest eine Passivierungsschicht (5), wobei – die Passivierungsschicht (5) in direktem Kontakt mit dem zweiten Halbleiterbereich (13) und mit dem Wärmespreizer (2) steht, – sich die Passivierungsschicht (5) zwischen dem zweiten Halbleiterbereich (13) und dem Wärmespreizer (2) befindet, – die Passivierungsschicht (5) eine Dicke von höchstens 200 nm aufweist, und – die Passivierungsschicht (5) mindestens eines der folgenden Materialien aufweist oder hieraus besteht: Al2O3, SiO2, Si3N4.
  5. Halbleiter-Streifenlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem Seitenflächen (30) des Streifenwellenleiters (3) frei von der Passivierungsschicht (5) sind und der Wärmespreizer (2) die Seitenflächen (30) wenigstens stellenweise berührt.
  6. Halbleiter-Streifenlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Richtung weg von der aktiven Zone (12) der Wärmespreizer bündig mit dem zweiten elektrischen Kontakt (13) abschließt oder den zweiten elektrischen Kontakt (13) überragt, wobei der zweite elektrische Kontakt (13) den Streifenwellenleiter (3) vollständig bedeckt, in Draufsicht gesehen.
  7. Halbleiter-Streifenlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wärmespreizer eine oder mehrere Teilschichten aus einem Halbleitermaterial umfasst oder hieraus besteht und in direktem Kontakt zu dem p-dotierten, zweiten Halbleiterbereich (13) steht, wobei das Halbleitermaterial von zumindest einer der Teilschichten undotiert oder n-dotiert ist.
  8. Halbleiter-Streifenlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Lotschicht (6) aus einem Lot, wobei die Lotschicht (6) in direktem Kontakt zu dem zweiten elektrischen Kontakt (13) und zu dem Wärmespreizer (2) steht und den zweiten elektrischen Kontakt (13) vollständig überdeckt, und wobei die Lotschicht (6) in lateraler Richtung (y) eine kleinere Ausdehnung aufweist als der Halbleiterkörper (10).
  9. Halbleiter-Streifenlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wärmespreizer (2) mindestens zwei Teilgebiete aus voneinander verschiedenen Materialien aufweist, wobei die Teilgebiete in Richtung weg von der aktiven Zone (12) und/oder in lateraler Richtung (y) weg von dem Streifenwellenleiter (3) und/oder entlang der Wellenleitrichtung (L) unmittelbar aufeinander folgen.
  10. Halbleiter-Streifenlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem wenigstens eines der Teilgebiete einen mittleren Abstand von höchstens 50 µm zu einer Facette (15) des Halbleiterkörpers (10) aufweist und direkt an die Facette (15) angrenzt, wobei die Facette (15) eine Lichtaustrittsfläche des Halbleiterkörpers (10) ist und senkrecht zu der Wellenleitrichtung (L) orientiert ist.
  11. Halbleiter-Streifenlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich der oder einer der Wärmespreizer (2) an dem ersten Halbleiterbereich (11) befindet und von dem Streifenwellenleiter (3) beabstandet angeordnet ist.
  12. Halbleiter-Streifenlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Wärmespreizer (2) an dem ersten Halbleiterbereich (11) mindestens eine Öffnung aufweist, durch die hindurch der Halbleiterkörper (10) mittels eines Lotes elektrisch kontaktiert ist.
  13. Halbleiter-Streifenlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich zwischen dem oder einem der Wärmespreizer (2) und dem Halbleiterkörper (10) eine Metallschicht (7) befindet, die den Wärmespreizer (2) berührt, wobei die Metallschicht (7) kein Lot ist.
  14. Halbleiter-Streifenlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste und/oder der zweite elektrische Kontakt (41, 43) elektrisch ohmsch leitend ist und mindestens zwei Teillagen umfasst, die in Richtung weg von dem Streifenwellenleiter (3) direkt aufeinander folgen, wobei die sich näher an dem Streifenwellenleiter (3) befindliche Teillage mindestens eines der folgenden Materialien umfasst oder hieraus besteht: ZnO, ITO, AlN, GaN, InN, AlGaN, InGaN, AlInGaN, und wobei die sich weiter von dem Streifenwellenleiter (3) entfernt befindliche Teillage mindestens eines der folgenden Materialien umfasst oder hieraus besteht: Al, Au, Cr, Ni, Pd, Pt, Ti.
  15. Halbleiterbauteil (100) mit einem Träger (8) und mit mindestens einem Halbleiter-Streifenlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – der Halbleiter-Streifenlaser (1) an den Träger (8) mit einer Lotschicht (6) angelötet ist und der Träger (8) eine Wärmesenke ist, – sich der Wärmespreizer (2) zwischen dem Halbleiterkörper (10) des Halbleiter-Streifenlasers (1) und der Lotschicht (6) befindet, und – sich der Wärmespreizer (2) und die Lotschicht (6) berühren.
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