DE102015116968A1

DE102015116968A1 - Halbleiterlaser und Halbleiterlaseranordnung

Info

Publication number: DE102015116968A1
Application number: DE102015116968.1A
Authority: DE
Inventors: Frank Singer; Dr. von Malm Norwin; Tilman Rügheimer; Thomas Kippes
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2017-04-06
Also published as: US20180301866A1; CN108141008B; CN108141008A; WO2017060161A1; US10741996B2

Abstract

In einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser (1) eine Halbleiterschichtenfolge (2). Die Halbleiterschichtenfolge (2) beinhaltet einen n-leitenden Bereich (23), einen p-leitenden Bereich (21) und eine dazwischenliegende aktive Zone (22). In einer Resonatorstrecke (3) wird eine Laserstrahlung erzeugt. Die Resonatorstrecke (3) ist parallel zur aktiven Zone (22) ausgerichtet. Ferner beinhaltet der Halbleiterlaser (1) einen elektrischen p-Kontakt (41) und einen elektrischen n-Kontakt (43), die sich je an dem zugehörigen Bereich (21, 23) der Halbleiterschichtenfolge (2) befinden und die zur Einprägung von Strom direkt in dem zugehörigen Bereich (21, 23) eingerichtet sind. Eine p-Kontaktfläche (61) ist mit dem p-Kontakt (41) elektrisch verbunden und eine n-Kontaktfläche (63) ist mit dem n-Kontakt (43) elektrisch verbunden, sodass die p-Kontaktfläche (61) und die n-Kontaktfläche (63) zu einem externen elektrischen und mechanischen Anschließen des Halbleiterlasers (1) eingerichtet sind. Es sind die Kontaktflächen (61, 63) parallel zu einer Wachstumsrichtung (G) der Halbleiterschichtenfolge (2) orientiert. Dabei ist der Halbleiterlaser (1) drahtfrei oberflächenmontierbar.

Description

Es wird ein Halbleiterlaser angegeben. Darüber hinaus wird eine Halbleiterlaseranordnung angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen kompakten Halbleiterlaser anzugeben, aus dem heraus Abwärme gut ableitbar ist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen Halbleiterlaser mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mP oder auch um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, 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 beinhaltet die Halbleiterschichtenfolge einen n-leitenden Bereich und einen p-leitenden Bereich. Zwischen diesen beiden Bereichen liegt eine aktive Zone. Entlang einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge sind der p-leitende Bereich, die aktive Zone und der n-leitende Bereich bevorzugt direkt übereinander gestapelt angebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterlaser eine oder mehrere Resonatorstrecken auf. In der mindestens einen Resonatorstrecke wird im bestimmungsgemäßen Betrieb des Halbleiterlasers eine Laserstrahlung erzeugt. Diese in der Resonatorstrecke erzeugte Laserstrahlung wird mindestens zum Teil aus dem Halbleiterlaser heraus emittiert. Laserstrahlung bedeutet etwa, dass die von dem Halbleiterlaser emittierte Strahlung eine kohärente Strahlung ist. Eine Kohärenzlänge der emittierten Strahlung liegt beispielsweise bei mindestens 1 mm oder 10 mm oder 1 m.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser einen elektrischen p-Kontakt, der sich bevorzugt direkt an dem p-leitenden Bereich befindet und der zur Stromeinprägung direkt in den p-leitenden Bereich eingerichtet ist. Mit anderen Worten wird durch den p-Kontakt der p-leitende Bereich bestromt. Insbesondere erfolgt eine Stromeinprägung in dem p-leitenden Bereich ausschließlich über den elektrischen p-Kontakt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet der Halbleiterlaser einen elektrischen n-Kontakt. Der n-Kontakt befindet sich bevorzugt stellenweise direkt an dem n-leitenden Bereich. In gleicher Weise wie der p-Kontakt ist der n-Kontakt zur Stromeinprägung direkt in den n-leitenden Bereich eingerichtet. Im Betrieb des Halbleiterlasers erfolgt eine Stromeinprägung in dem n-leitenden Bereich bevorzugt ausschließlich über den n-Kontakt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser eine p-Kontaktfläche und eine n-Kontaktfläche. Die bevorzugt genau zwei Kontaktflächen sind zu einer externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterlasers eingerichtet. Insbesondere ist der Halbleiterlaser dazu eingerichtet, über die Kontaktflächen extern elektrisch kontaktiert und mechanisch befestigt zu werden. Bevorzugt sind die Kontaktflächen lötbar gestaltet. Alternativ können die Kontaktflächen über elektrisch leitfähiges Kleben befestigt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Kontaktflächen je elektrisch mit dem zugehörigen Kontakt verbunden. Dabei können die Kontaktflächen direkt auf den je zugehörigen Kontakten aufgebracht sein, beispielsweise über ein galvanisches Abscheiden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Kontaktflächen teilweise oder vollständig parallel zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge orientiert. Mit anderen Worten steht dann die Halbleiterschichtenfolge hochkant auf den Kontaktflächen. Dies gilt mit einer Toleranz von höchstens 45° oder 30° oder 15° oder 2°, insbesondere exakt. Dabei kann die Resonatorstrecke parallel oder auch senkrecht zu den Kontaktflächen orientiert sein, mit denselben Toleranzen, wie für die Wachstumsrichtung angegeben. Sind die Kontaktflächen parallel zur Resonatorstrecke orientiert, so handelt es sich bei dem Halbleiterlaser um einen sogenannten Side Looker.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegen die Kontaktflächen in einer gemeinsamen Montageebene. In diesem Fall ist der Halbleiterlaser dazu eingerichtet, auf eine ebene Montagefläche aufgebracht zu werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser oberflächenmontierbar. Das heißt, der Halbleiterlaser kann über SMT, englisch Surface Mount Technology, an einem externen Träger, der die Montagefläche aufweist, angebracht werden. Es ist dabei nicht erforderlich, dass Teile des Halbleiterlasers den externen Träger durchdringen oder in den externen Träger eingebettet werden. Auf diese Weise sind vergleichsweise große externe Kontaktflächen erzielbar, über die auch eine effiziente Entwärmung gegeben ist. Beispielsweise liegt ein thermischer Widerstand zwischen der aktiven Zone und dem externen Träger bestimmungsgemäß bei höchstens 5 K/W oder 2 K/W oder 1 K/W.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser drahtfrei montierbar. Das heißt, insbesondere zur elektrischen Kontaktierung des Halbeiterlasers sind keine Bonddrähte erforderlich. Drahtfrei zum Beispiel kann außerdem bedeuten, dass gerade keine etwa auf einer Folie oder einem Vergussmaterial aufgebrachten Leiterbahnen zu dem Halbleiterlaser geführt werden, wobei sich die Folie an den Halbleiterlaser anschmiegen kann, wie etwa aus der Druckschrift US 2014/0227811 A1 , US 2013/0256740 A1 oder US 2009/0127573 A1 bekannt. Eine solche, vorliegend bevorzugt nicht verwendete Technologie wird auch als CPHF oder Compact Planar High Flux bezeichnet. Somit ist es möglich, dass die externe elektrische und mechanische Anbindung des Halbleiterlasers einzig durch eine flächige Befestigung über die Kontaktflächen erfolgt. Dabei kann ein minimaler Durchmesser eines Strompfades zwischen der externen Montagefläche und den Kontaktflächen bevorzugt durchgängig und/oder mindestens eine Querschnittsfläche der Kontaktflächen an einer der Montagefläche zugewandten Seite betragen.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet einen n-leitenden Bereich, einen p-leitenden Bereich und eine zwischen diesen Bereichen liegende aktive Zone. In mindestens einer Resonatorstrecke wird im Betrieb des Halbleiterlasers eine Laserstrahlung erzeugt. Die Resonatorstrecke ist dabei parallel zur aktiven Zone ausgerichtet und kann in der aktiven Zone liegen. Ferner beinhaltet der Halbleiterlaser einen elektrischen p-Kontakt und einen elektrischen n-Kontakt, die sich an dem zugehörigen Bereich der Halbleiterschichtenfolge befinden und die zur Einprägung von Strom direkt in dem zugehörigen Bereich der Halbleiterschichtenfolge eingerichtet sind. Außerdem sind eine p-Kontaktfläche, die mit dem p-Kontakt elektrisch verbunden ist, und eine n-Kontaktfläche, die mit dem n-Kontakt elektrisch verbunden ist, vorhanden. Die p-Kontaktfläche und die n-Kontaktfläche sind zu einem externen elektrischen und mechanischen Anschließen des Halbleiterlasers eingerichtet. Ferner sind die p-Kontaktfläche und die n-Kontaktfläche, mit einer Toleranz von höchstens 45° oder exakt, parallel zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge orientiert. Schließlich ist der Halbleiterlaser drahtfrei oberflächenmontierbar.
Üblicherweise werden Laserdioden für sogenannte Consumer-Anwendungen in TO-Gehäusen oder auf Zwischenträgern wie keramischen Trägern angeboten. Diese Montagearten für Laserdioden sind jedoch technisch vergleichsweise aufwändig und relativ teuer.
Insbesondere bei TO-Gehäusen ist ein Halbleiterlaserchip auf einem metallischen Gehäusesockel montiert, etwa mittels Löten, und über Bonddrähte elektrisch kontaktiert. Das TO-Gehäuse ist mit einer metallischen Kappe und mit einem optischen Fenster, etwa aus Glas, verschlossen. Eine externe elektrische Kontaktierung eines solchen TO-Gehäuses erfolgt durch elektrische Kontaktstifte, die durch eine Leiterplatte hindurchgeführt werden und dann über Löten elektrisch und auch mechanisch befestigt werden. Bei solchen TO-Gehäusen ist ein erzielbarer thermischer Widerstand zu einer Entwärmung des Halbleiterlaserchips vergleichsweise hoch und liegt in der Größenordnung von 15 K/W. Durch diesen vergleichsweise großen thermischen Widerstand ergeben sich Einschränkungen hinsichtlich eines maximalen Betriebsstroms des Halbleiterlaserchips. Auch bei der Verwendung von Zwischenträgern tritt ein erhöhter thermischer Widerstand auf.
Der hier beschriebene Halbleiterlaser ist einerseits kostengünstig herstellbar und für einen Kunden einfach zu verwenden, da eine Oberflächenmontage, auch als SMT bezeichnet, möglich ist. Ebenso weist ein solcher Halbleiterlaser einen geringen thermischen Widerstand hin zu einer externen Wärmesenke auf. Ferner sind bei dem hier beschriebenen Halbleiterlaser Zwischenträger entbehrbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser oberflächenmontierbar. Das heißt, der Halbleiterlaser kann über SMT, englisch Surface Mount Technology, an einem externen Träger angebracht werden. Es ist dabei nicht erforderlich, dass Teile des Halbleiterlasers den externen Träger durchdringen oder in den externen Träger eingebettet werden. Auf diese Weise sind vergleichsweise große externe Kontaktflächen erzielbar, über die auch eine effiziente Entwärmung gegeben ist. Beispielsweise liegt ein thermischer Widerstand zwischen der aktiven Zone und dem externen Träger bestimmungsgemäß bei höchstens 5 K/W oder 2 K/W oder 1 K/W.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Abstand zwischen der Resonatorstrecke und der Montagebene relativ groß. Hierdurch ist verhinderbar, dass die emittierte Laserstrahlung unerwünscht auf den externen Träger trifft. Insbesondere liegt der Abstand zwischen der Resonatorstrecke und der Montagebene bei mindestens 10 µm oder 40 µm oder 75 µm und/oder bei höchstens 0,2 mm oder 0,6 mm oder 1 mm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich der n-Kontakt von dem p-leitenden Bereich her und durch die aktive Zone hindurch in den n-leitenden Bereich. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem n-Kontakt um eine Durchkontaktierung, auch als Via bezeichnet, durch die aktive Zone hindurch. Dabei kann der n-Kontakt auch aus mehreren Durchkontaktierungen oder Vias zusammengesetzt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der n-leitende Bereich zu einer Stromleitung und/oder Stromaufweitung in Richtung parallel zur aktiven Zone eingerichtet. Ein Stromfluss erfolgt dann aus dem n-Kontakt heraus über den n-leitenden Bereich, wobei eine Hauptstromflussrichtung in dem n-leitenden Bereich bevorzugt senkrecht zu einer Hauptstromrichtung in dem n-Kontakt ausgerichtet ist. Die aktive Zone wird aus dem n-leitenden Bereich hin zu dem p-leitenden Bereich und hin zu dem p-Kontakt bestromt, wobei hier eine Stromrichtung bevorzugt antiparallel zu einer Hauptstromrichtung in dem n-Kontakt orientiert ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die zumindest eine Resonatorstrecke, in Draufsicht insbesondere auf den p-leitenden Bereich gesehen, neben dem elektrischen n-Kontakt, zumindest innerhalb der Halbleiterschichtenfolge. Dies kann bedeuten, dass in einer Ebene der aktiven Zone sich die Resonatorstrecke und der n-Kontakt nicht schneiden und nicht berühren. Insbesondere gelangt auch die in der Resonatorstrecke geführte Laserstrahlung nicht oder nicht signifikant an den n-Kontakt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der n-Kontakt, in zumindest einem Querschnitt parallel zur aktiven Zone gesehen, ringsum von einem Material der Halbleiterschichtenfolge umgeben. Insbesondere ist im Bereich des p-leitenden Bereichs sowie in der Ebene der aktiven Zone der n-Kontakt ringsum von einer geschlossenen, zusammenhängenden Bahn des zugehörigen Halbleitermaterials umgeben. Mit anderen Worten liegt der n-Kontakt in lateraler Richtung im Bereich der Halbleiterschichtenfolge seitlich nirgends frei.
Alternativ hierzu ist es möglich, dass der n-Kontakt an einem Rand der Halbleiterschichtenfolge angebracht ist und seitlich frei liegt oder seitlich nicht von einem Material der Halbleiterschichtenfolge bedeckt ist. In diesem Fall wird jedoch bevorzugt, in Draufsicht gesehen, der n-Kontakt von dem n-leitenden Bereich vollständig bedeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bestehen der n-Kontakt und/oder der p-Kontakt aus einem oder aus mehreren Metallen. Dabei können der n-Kontakt und der p-Kontakt teilweise oder in Gänze aus den gleichen Metallen bestehen. Beispielsweise umfassen der n-Kontakt und/oder der p-Kontakt eines oder mehrere der nachfolgend genannten Metalle oder bestehen aus einem oder mehreren dieser Metalle: Silber, Gold, Platin, Palladium, Wolfram, Nickel, Titan, Rhodium.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform endet der n-Kontakt innerhalb des n-leitenden Bereichs. Das heißt, in Richtung senkrecht zur aktiven Zone durchläuft der n-Kontakt dann den n-leitenden Bereich nur zum Teil. Beispielsweise dringt der n-Kontakt, von dem p-leitenden Bereich her, nur zu höchstens 20 % oder 50 % in den n-leitenden Bereich ein, bezogen auf eine Dicke des n-leitenden Bereichs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform durchdringt der p-Kontakt die Halbleiterschichtenfolge vollständig. Beispielsweise erstreckt sich der p-Kontakt zuerst parallel entlang des p-Bereichs oder bedeckt den p-Bereich überwiegend oder vollständig und knickt anschließend in Richtung hin zur aktiven Zone 22 ab. Eine solche Durchkontaktierung für den p-Bereich durch die aktive Zone hindurch befindet sich bevorzugt neben der Resonatorstrecke, in Draufsicht gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich alle Kontaktflächen auf derselben Seite der Halbleiterschichtenfolge. Dabei können die Kontaktflächen auf der Seite des n-Bereichs oder auch auf der Seite des p-Bereichs angebracht sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die p-Kontaktfläche auf einer anderen Seite der Halbleiterschichtenfolge als die n-Kontaktfläche. Dabei ist es möglich, dass die Resonatorstrecke mindestens teilweise zwischen den Kontaktflächen angeordnet ist. Bei einer solchen Anordnung können beide Kontaktflächen vergleichsweise großflächig gestaltet sein und, in Draufsicht gesehen, die Halbleiterschichtenfolge je zu mindestens 50 % oder 80 % oder vollständig bedecken. Auch ist bei einer solchen Anordnung eine besonders effiziente Abfuhr von Abwärme aus dem Halbleiterlaser heraus möglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser einen Stegwellenleiter, auch als Ridge bezeichnet. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Halbleiterlaser um einen Streifenlaser, auch als Ridge-Laser bezeichnet. Durch den Stegwellenleiter ist die Resonatorstrecke definiert. Insbesondere verlaufen der Stegwellenleiter und die Resonatorstrecke, in Draufsicht gesehen, deckungsgleich oder überwiegend deckungsgleich. Eine Stromeinprägung aus dem p-Kontakt in die Halbleiterschichtenfolge hinein ist bevorzugt auf den Stegwellenleiter oder auf einen Teil des Stegwellenleiters beschränkt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Stegwellenleiter beidseitig von Gräben in der Halbleiterschichtenfolge begrenzt. Mit anderen Worten ist der Stegwellenleiter durch ein Ätzen aus der Halbleiterschichtenfolge heraus, insbesondere ausschließlich aus dem p-leitenden Bereich heraus, erzeugt. In diesem Fall reichen die Gräben nicht bis an die aktive Zone heran. Bis auf die Gräben kann die Halbleiterschichtenfolge eine konstante, gleichbleibende Dicke aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Gräben mindestens teilweise mit dem p-Kontakt ausgefüllt. Mit anderen Worten befindet sich das metallische Material des p-Kontakts in den Gräben. Der p-Kontakt ist bevorzugt nicht auf die Gräben beschränkt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Resonatorstrecke innerhalb der aktiven Zone angeordnet. Eine Lichtverstärkung ist dann auf die aktive Zone beschränkt. Hierbei verläuft die Resonatorstrecke bevorzugt senkrecht zu einander gegenüberliegenden Facetten der Halbleiterschichtenfolge. Die Facetten sind dabei seitliche Begrenzungsflächen der Halbleiterschichtenfolge. Über die Facetten selbst und/oder über optisch wirksame Beschichtungen auf den Facetten ist ein Reflexionsgrad von Resonatorendflächen einstellbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform überragen die elektrischen Kontaktflächen die Halbleiterschichtenfolge seitlich, also in Richtung parallel zur aktiven Zone und insbesondere in Draufsicht auf den p-leitenden Bereich gesehen. Dabei ist es möglich, dass die Kontaktflächen die Halbleiterschichtenfolge ausschließlich in Richtung hin zur Montageebene überragen. Alternativ kann eine oder können alle Kontaktflächen die Halbleiterschichtenfolge an mehreren oder an allen Seiten überragen. In Projektion senkrecht zur Montageebene kann dabei die Halbleiterschichtenfolge frei sein von einem Material für die Kontaktflächen und/oder für die Kontakte. Mit anderen Worten liegt dann, in Draufsicht auf die Montageebene gesehen, die Halbleiterschichtenfolge neben den Kontaktflächen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Kontaktflächen, insbesondere in der Montageebene, entlang einer geraden Linie angeordnet. Diese gerade Linie verläuft bevorzugt parallel zur Resonatorstrecke und/oder, in Draufsicht gesehen, neben der Resonatorstrecke.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine der Kontaktflächen, in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge gesehen, L-förmig gestaltet. Anders formuliert bildet diese Kontaktfläche ein Rechteck aus, in dem in Draufsicht gesehen eine Ecke ausgespart ist. Die andere der Kontaktflächen befindet sich in einem Raum zwischen Schenkeln dieses L’s oder in der ausgesparten Ecke. Dabei berühren sich die Kontaktflächen bevorzugt nicht, sodass ein mit einem isolierenden Feststoff oder ein mit Luft gefüllter Spalt zwischen den Kontaktflächen vorliegen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser einen Vergusskörper. Der Vergusskörper umgibt, in Draufsicht gesehen, die Halbleiterschichtenfolge bevorzugt ringsum und/oder in einer geschlossenen Bahn. Die Halbleiterschichtenfolge kann mit dem Vergusskörper mechanisch fest verbunden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Vergusskörper aus zumindest einem Kunststoff geformt. Bevorzugt handelt es sich bei dem Kunststoff um einen lichtdurchlässigen, transparenten Kunststoff wie ein Acrylat oder ein Polycarbonat oder ein Epoxid oder ein Silikon. Insbesondere ist der Kunststoff dazu eingerichtet, von der Laserstrahlung durchstrahlt zu werden. Bevorzugt jedoch ist es möglich, dass der Vergusskörper im Bereich einer Lichtaustrittsfläche der Halbleiterschichtenfolge nicht vorhanden ist, sodass die Laserstrahlung aus dem Halbleiterlaser heraustreten kann, ohne durch den Vergusskörper geführt werden zu müssen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Dicke des Vergusskörpers gleich einer Dicke der Halbleiterschichtenfolge oder einer Dicke der Halbleiterschichtenfolge zusammen mit dem Aufwachssubstrat. Dies gilt insbesondere mit einer Toleranz von höchstens 5 µm oder 3 µm oder 1,5 µm. Dabei liegen Begrenzungsflächen des Vergusskörpers bevorzugt ausschließlich parallel und senkrecht zur aktiven Zone. Mit anderen Worten kann es sich bei dem Vergusskörper um einen Quader handeln, wobei in einer Seite dieses Quaders bevorzugt eine Begrenzungsfläche der Halbleiterschichtenfolge, insbesondere deren Oberseite, liegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterlaser laterale Abmessungen, also Abmessungen in Richtung parallel zur aktiven Zone, auf, die höchstens ein Dreifaches oder ein Doppeltes oder ein 1,4-Faches von entsprechenden Abmessungen der Halbleiterschichtenfolge betragen. Mit anderen Worten kann der Halbleiterlaser ein Gehäuse aufweisen, das im Wesentlichen durch die Größe der Halbleiterschichtenfolge vorgegeben ist. Eine solche Gehäusebauform wird auch als CSP oder Chip-Size Package bezeichnet. Alternativ ist es möglich, dass der Halbleiterlaser frei von einem Gehäuse und/oder einem Vergusskörper ist und dass laterale Abmessungen ausschließlich durch die Halbleiterschichtenfolge vorgegeben sind. In letztgenanntem Fall ist es möglich, dass der Halbleiterlaser ausschließlich aus anorganischen Materialien besteht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform überragt der Vergusskörper, in Richtung parallel zur aktiven Zone, die Kontaktflächen und/oder die Halbleiterschichtenfolge. Dabei kann der Vergusskörper ringsum oder nur an bestimmten Seiten oder nur stellenweise überstehen. Eine Breite oder mittlere Breite dieses Überstands liegt zum Beispiel bei mindestens 2 µm oder 5 µm oder 10 µm und/oder bei höchstens 0,1 mm oder 50 µm oder 20 µm. Alternativ kann der Vergusskörper in seitlicher Richtung bündig mit den oder mit einer der Kontaktflächen abschließen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt eine Dicke oder eine mittlere Dicke der Kontaktflächen oder von zumindest einer der Kontaktflächen, in Richtung senkrecht zur aktiven Zone, mindestens 25 µm oder 40 µm oder 0,1 mm. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Wert bei höchstens 1 mm oder 0,6 mm oder 0,4 mm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der p-Kontakt, der n-Kontakt und die Kontaktflächen gegenüber den Facetten der Halbleiterschichtenfolge zurückversetzt. Hierdurch ist ein Erzeugen der Facetten durch Ritzen und Spalten möglich, ohne dass eine Beeinträchtigung durch die aus Metall gefertigten Kontakte oder Kontaktflächen erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine der oder weisen die Kontaktflächen eine oder mehrere Rundungen auf. Die zumindest eine Rundung kann konvex oder auch konkav gestaltet sein. Bevorzugt zeigt die konvexe Rundung in Richtung hin zur Halbleiterschichtenfolge, sodass sich die betreffende Kontaktfläche in Richtung weg von der Halbleiterschichtenfolge verbreitert. Im Querschnitt senkrecht zu den Kontaktflächen und zur Halbleiterschichtenfolge gesehen kann die Rundung halbkreisförmig sein. Die Rundung ist weiterhin bevorzugt auf die eine oder die mehreren Kontaktflächen beschränkt.
Darüber hinaus wird eine Halbleiterlaseranordnung angegeben. Die Halbleiterlaseranordnung umfasst mindestens einen Halbleiterlaser, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale der Halbleiterlaseranordnung sind daher auch für den Halbleiterlaser offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlaseranordnung wenigstens einen Halbleiterlaser, wie oben angegeben. Ferner weist die Halbleiterlaseranordnung einen Montageträger auf, auf dem der Halbleiterlaser befestigt ist, wobei eine elektrische und mechanische Befestigung ausschließlich über die p-Kontaktfläche und die n-Kontaktfläche erfolgt. Außerdem beinhaltet die Halbleiterlaseranordnung ein optisches Element zur Strahlformung der Laserstrahlung, bevorzugt eine Linse wie eine Zylinderlinse. Das optische Element kann direkt auf den Montageträger aufgebracht sein und ist bevorzugt dem Halbleiterlaser optisch unmittelbar nachgeordnet.
Durch eine solche Anordnung sind auch größere Montageflächen des optischen Elements erreichbar, zudem besteht keine Abhängigkeit von einer Kleberschichtdicke beim Befestigen des optischen Elements.
Schließlich wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterlasers angegeben. Mit dem Verfahren wird insbesondere ein Halbleiterlaser hergestellt, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für den Halbleiterlaser sowie die Halbleiterlaseranordnung offenbart und umgekehrt.
Nachfolgend werden ein hier beschriebener Halbleiterlaser und eine hier beschriebene Halbleiterlaseranordnung 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 bis 3 und 9 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlaseranordnungen mit hier beschriebenen Halbleiterlasern,
4 bis 7 schematische Darstellungen von Verfahrensschritten für Verfahren zur Herstellung von hier beschriebenen Halbleiterlasern,
8 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlasern für hier beschriebene Halbleiterlaseranordnungen, und
10 schematische Darstellungen von Abwandlungen von Halbleiterlaseranordnungen.
In 1 sind ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers 1 und einer Halbleiterlaseranordnung 10 dargestellt. So zeigt 1A eine Draufsicht und 1B eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A aus 1A von Halbleiterlasern 1. In 1C ist eine Seitenansicht und in 1B eine Frontalansicht einer Halbleiterlaseranordnung 10 illustriert.
Der Halbleiterlaser 1 weist eine Halbleiterschichtenfolge 2 auf. Die Halbleiterschichtenfolge 2 verfügt über eine aktive Zone 22, die sich zwischen einem p-leitenden Bereich 21 und einem n-leitenden Bereich 23 befindet. Die Halbleiterschichtenfolge 2 befindet sich auf einem Aufwachssubstrat 20. Der n-leitende Bereich 23 ist durch die aktive Zone 22 hindurch elektrisch über einen metallischen n-Kontakt 43 kontaktiert. Eine Bestromung des p-leitenden Bereichs 21 erfolgt über einen elektrischen p-Kontakt 41.
Dabei wird elektrischer Strom nur im Bereich eines Stegwellenleiters 33 in den p-leitenden Bereich 21 eingeprägt. Um die Stromeinprägung zu begrenzen, ist lokal eine elektrische Isolierung 71 angebracht. Über den Stegwellenleiter ist eine Resonatorstrecke 3 definiert, die sich zwischen zwei einander gegenüberliegenden Facetten 25 der Halbleiterschichtenfolge 2 befindet. Eine der Facetten 25 ist bevorzugt reflektierend beschichtet, nicht gezeichnet, eine weitere der Facetten 25 dient zur Auskopplung einer in dem Halbleiterlaser 1 erzeugten Laserstrahlung L.
Zur externen elektrischen Kontaktierung weist der Halbleiterlaser 1 eine elektrische p-Kontaktfläche 61 und eine elektrische n-Kontaktfläche 63 auf. Die beiden Kontaktflächen 61, 63 folgen entlang einer Wachstumsrichtung G der Halbleiterschichtenfolge 2 den Kontakten 41, 43 nach. Bevorzugt sind beide Kontaktflächen 61, 63 mit einer Kontaktmetallisierung 64 versehen. Über die Kontaktmetallisierung 64 sind die Kontaktflächen 61, 63 über ein Lot 17 an Leiterbahnen 16 an einem Montageträger 19 sowohl elektrisch als auch mechanisch befestigbar.
Die Kontaktflächen 61, 63 selbst sind dabei bevorzugt vergleichsweise dick, beispielsweise mit einer Dicke zwischen einschließlich 40 µm und 600 µm. Zum Beispiel sind die Kontaktflächen 61, 63 aus Kupfer gebildet, das galvanisch auf den Kontakten 41, 43 aufgebracht sein kann. Demgegenüber ist eine Dicke der Kontaktmetallisierung 64 bevorzugt relativ gering, insbesondere mindestens 0,5 µm und/oder höchstens 5 µm. Bevorzugt ist die Kontaktmetallisierung 64 aus Nickel und Gold gebildet, wobei die Kontaktmetallisierung 64 auch mehrlagig ausgebildet sein kann und optional auch Platin, Palladium und/oder Titan enthalten kann.
Die Kontaktmetallisierung 64 bedeckt dabei bevorzugt alle der Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandten Seiten der Kontaktflächen 61, 63. Ferner sind alle quer, insbesondere senkrecht zur Halbleiterschichtenfolge 2 angeordneten Seiten der Kontaktflächen 61, 63 von der Kontaktmetallisierung 64 bedeckt.
Die Kontaktflächen 61, 63 stehen an einer Seite über die Halbleiterschichtenfolge 2 über, und zwar an einer Seite, die parallel zur Resonatorstrecke 3 ausgerichtet ist. Hierdurch und aufgrund der vergleichsweise großen Dicke der Kontaktflächen 61, 63 ist der Halbleiterlaser 1 auf den Leiterbahnen 16, die parallel zur Wachstumsrichtung G verlaufen, montierbar. Mit anderen Worten steht dann die Halbleiterschichtenfolge 2 in montiertem Zustand des Halbleiterlasers 1, siehe etwa 1C, senkrecht auf den Leiterbahnen 16, die eine Montageebene 65 definieren. Somit verläuft die Resonatorstrecke 3 parallel zu den Leiterbahnen 16. Außerdem weist die Resonatorstrecke 3 einen vergleichsweise großen Abstand zum Montageträger 19 auf, sodass die Laserstrahlung L die Anordnung 10 vom Montageträger 19 unbeeinflusst verlassen kann.
In Draufsicht gesehen, siehe 1A, ist die p-Kontaktfläche 61 L-förmig gestaltet. In einer verbleibenden Ecke befindet sich die kleinere n-Kontaktfläche 63. Die jeweils zugehörigen Kontakte 41, 43 können dabei in Richtung parallel zur Resonatorstrecke 3 über die Kontaktflächen 61, 63 überstehen und/oder in Richtung senkrecht zur Resonatorstrecke 3 bündig mit den Kontaktflächen 61, 63 abschließen.
An derjenigen Seite der Kontaktflächen 61, 63, die über die Halbleiterschichtenfolge 2 übersteht und die zur Montage auf den Leiterbahnen 16 eingerichtet ist, ist in Richtung hin zur Halbleiterschichtenfolge 2 eine Rundung R vorhanden. Diese Rundung R entsteht insbesondere bei einem Vereinzeln der Halbleiterschichtenfolge 2 aus einem Wafer heraus zu den Halbleiterlasern 1, etwa durch einen vergleichsweise breiten Sägeschnitt oder durch ein Plasmatrennen. Eine Breite der Rundung R, in Richtung parallel zur aktiven Zone 22, liegt bevorzugt bei mindestens 50 µm und/oder bei höchstens 100 µm.
Die durch das Vereinzeln erzeugte Begrenzungsfläche der Halbleiterschichtenfolge 2 wird bevorzugt durch eine Seitenwandpassivierung, nicht gezeichnet, geschützt. In der Rundung R ist die Kontaktmetallisierung 64 nicht vorhanden. Hierdurch ist ein Kriechen des Lots 17 in Richtung hin zur Halbleiterschichtenfolge 2 reduzierbar oder vermeidbar.
Dadurch, dass die p-Kontaktfläche 61 großflächig auf dem p-leitenden Bereich 21 aufgebracht ist, ist eine effiziente Entwärmung des p-leitenden Bereichs 21 ermöglicht.
Bei dem Montageträger 19 handelt es sich beispielsweise um ein Keramiksubstrat mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit. Ebenso kann der Montageträger 19 als Leiterplatte und/oder Metallkernplatine gestaltet sein.
Beim Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers 1 und der Anordnung 10 der 2 befinden sich die Kontaktflächen 61, 63 an der Seite des Aufwachssubstrats 20. Die Darstellungen in den 2A bis 2D sind dabei analog zu den 1A bis 1D.
Der p-Kontakt 41 ist durch die gesamte Halbleiterschichtenfolge 2 und durch das gesamte Aufwachssubstrat 20 hindurch mit der p-Kontaktfläche 61 verbunden. Der p-Kontakt 41 bedeckt bis auf Bereiche nahe an den Facetten 25 den gesamten p-leitenden Bereich 21, wobei aufgrund der Isolierung 71 nur im Bereich des Stegwellenleiters 33 die aktive Zone 22 bestromt wird. An dem Aufwachssubstrat 20 kann, anders als in 2B dargestellt, auch im Bereich der p-Kontaktfläche 61 eine Metallisierung analog zum n-Kontakt 43 vorhanden sein, um ein insbesondere galvanisches Aufbringen der beiden Kontaktflächen 61, 63 an dem Aufwachssubstrat 20 zu ermöglichen.
Bei dieser Anbringung der Kontaktflächen 61, 63 an dem Aufwachssubstrat 20 sind mechanische Spannungen am Stegwellenleiter 33 verringerbar eine erhöhte Modenstabilität der Laserstrahlung L ist erzielbar.
Beim Ausführungsbeispiel der 3, siehe die Schnittdarstellung in 3A, die Draufsicht in 3B sowie eine Seitenansicht der Anordnung 10 in 3C, sind die Kontaktflächen 61, 63 beidseitig der Halbleiterschichtenfolge 2 angeordnet. Mit einer solchen Anordnung der Kontaktflächen 61, 63 ist eine besonders effiziente Entwärmung der Halbleiterschichtenfolge 2 erreichbar.
Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge 2, zusammen mit dem Aufwachssubstrat 20, die Kontaktflächen 61, 63 ringsum überragen. Ein Überstand des Aufwachsubstrats 20 über die Kontaktflächen 61, 63 beträgt bevorzugt mindestens 5 µm und/oder höchstens 50 µm. Die Kontaktmetallisierung 64 kann alle nicht den Kontakten 41, 43 zugewandte Flächen der Kontaktflächen 61, 63 vollständig bedecken.
Die Resonatorstrecke 3 ist, siehe 3C, wie auch die Wachstumsrichtung G parallel zur Montageebene 65 orientiert. Abweichend von der Darstellung in 3C ist es auch möglich, dass die Resonatorstrecke 3 senkrecht zur Montageebene 65 ausgerichtet ist, so dass eine Emission der Laserstrahlung dann in Richtung weg von dem Montageträger 19 erfolgen würde. Die Halbleiterschichtenfolge 2 kann gegenüber dem Aufwachssubstrat 20 geringfügig zurückversetzt sein. Optional können an der Halbleiterschichtenfolge 2 und/oder an dem Aufwachssubstrat 20 nicht gezeichnete elektrisch isolierende Beschichtungen vorhanden sein, um ein Kriechen des Lots 17 auf die Halbleiterschichtenfolge 2 zu verhindern oder, im Falle eines Kriechens, elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden.
Bei dem Montageträger 19 kann es sich ebenfalls um ein Keramiksubstrat handeln. Das Lot 17 befindet sich vor der Montage des Halbleiterlasers 1 bevorzugt bereits an den Leiterbahnen 16. Beispielsweise liegt das Lot 17 als Lotpads vor, etwa als formstabiler, sogenannter Au-Schwamm, als gesinterte formstabile Silberschicht, als Goldbeschichtung für ein SAC-Löten oder auch als AuSn-Depot.
In 4 sind in schematischen Draufsichten Verfahrensschritte zur Herstellung von Halbleiterlaser 1 gezeigt, insbesondere wie in Verbindung mit den 1 oder 2 angegeben. Noch im Waferverbund werden die Kontaktflächen 61, 63 sowie die Kontaktmetallisierung 64 strukturiert erzeugt, siehe 4A. In Richtung senkrecht zu der Resonatorstrecke 3, den Stegwellenleitern 33 und zwischen den Kontaktflächen 61, 63 erfolgt entlang von Separationslinien S über Ritzen und Brechen eine Zerteilung des Wafers in einzelne Barren.
Auf den über das Brechen erzeugten Facetten 25 wird über ein bevorzugt gerichtetes Beschichtungsverfahren ein Beschichtungsmaterial M aufgebracht, siehe 4B. Über das Beschichtungsmaterial M ist eine Reflektivität der Facetten 25 einstellbar. Beispielsweise wird auf einer der Facetten 25 ein hochreflektierender Bragg-Spiegel und auf der gegenüberliegenden Facette 25 eine Antireflexschicht erzeugt.
Beim Aufbringen des Beschichtungsmaterial M sind die Barren bevorzugt schräg gestellt. Hierdurch bleiben die Kontaktflächen 61, 63 an der Montageebene 65 frei von dem Beschichtungsmaterial M.
In Richtung parallel zu den Resonatorstrecken 3 werden die Barren über Sägen oder Plasmatrennen nachfolgend vereinzelt, nicht gezeichnet. Bei diesem Vereinzeln werden die Rundungen R erzeugt.
In 5 ist in schematischen Draufsichten ein Herstellungsverfahren für den Halbleiterlaser 1 gemäß 3 illustriert.
Entlang der Separationslinien S1 erfolgt ein Ritzen und Brechen zwischen den Metallstrukturen 41, 43, 61, 63. Die erhaltenen Barren, siehe 5B, werden dann bevorzugt beschichtet, wie in Verbindung mit 4B illustriert. Nachfolgend erfolgt über beispielsweise Sägen ein Vereinzeln entlang von Separationslinien S2 und den Halbleiterlasern 1.
In 6 ist in Schnittdarstellungen ein Verfahren zur Herstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Halbleiterlasers 1 angegeben. Die Halbleiterschichtenfolge 2 und das Aufwachsubstrat 20 werden auf einen temporären Zwischenträger 9 angebracht, vereinzelt und expandiert, siehe 5A. Bei dem Zwischenträger 9 handelt es sich insbesondere um eine dehnbare Folie, wobei ein weiterer, nicht gezeichneter und mechanisch stabiler Träger vorhanden sein kann.
Nachfolgend wird, siehe 6B, ein Vergusskörper 81 erzeugt. Der Vergusskörper 81 ist aus einem Kunststoff gebildet. Der Vergusskörper 81 kann transparent, reflektierend oder auch absorbierend für die Laserstrahlung L gestaltet sein. Es ist möglich, dass dem Vergusskörper 81 Beimengungen beigegeben sind, etwa um die optischen Eigenschaften, ein thermisches Verhalten und/oder mechanische Eigenschaften des Vergusskörpers 81 einzustellen. Der Vergusskörper 81 wird über Spritzen oder Pressen erzeugt, insbesondere unter Zuhilfenahme von Folien.
Im Verfahrensschritt, wie in 6C gezeigt, werden die Kontaktflächen 61, 63 erzeugt. Hierzu wird bevorzugt eine metallische Grundschicht 66 und anschließend eine nicht gezeichnete Lackmaske aufgebracht, worauf eine Galvanik für das Kupfer der Kontaktflächen 61, 63 erfolgt. Nachfolgend wird die metallische Grundschicht 66 in Bereichen neben den Kontaktflächen 61, 63 entfernt und die Kontaktmetallisierung 64 wird aufgebracht. Die Grundschicht 66 an dem Aufwachsubstrat 20 kann gleichzeitig als n-Kontakt 43 dienen. Dabei erstrecken sich die fertigen Kontaktflächen 61, 63 teilweise auf den Vergusskörper 81.
Gemäß dem Verfahrensschritt der 6D werden die Halbleiterlaser 1 auf einen weiteren Zwischenträger 9 aufgebracht und der Vergusskörper 81 wird beispielsweise über Sägen zerteilt. Dabei überragt der Vergusskörper 81 die Kontaktflächen 61, 63 bevorzugt ringsum. Ein Überstand des Vergusskörpers 81 über die Kontaktflächen 61, 63 hinaus beträgt beispielsweise mindestens 5 µm und/oder höchstens 50 µm.
In 6E ist der auf dem Montageträger 19 montierte Halbleiterlaser 1 zu sehen, analog zu 3C.
Mit dem Verfahren der 7 wird ein Halbleiterlaser 1 hergestellt, bei dem die Kontaktflächen 61, 63 über die Halbleiterschichtenfolge 2 und das Aufwachsubstrat 20 überstehen. Die der 7A vorausgehenden Verfahrensschritte folgen dabei bevorzugt, wie in den 6A bis 6C gezeigt. Jedoch handelt es sich bei dem Vergusskörper 81 in diesem Fall nur um einen populären Vergusskörper, der insbesondere chemisch herausgelöst wird, so dass die Bauteile der 7A entstehen.
Die Anordnung 10 mit dem befestigten Halbleiterlaser 1 und dem Montageträger 19 ist in 7B gezeigt.
In 8A sind eine Schnittdarstellung und in den 8B bis 8F Draufsichten auf Ausführungsbeispiele der Halbleiterlaser 1 gezeigt, wobei die Kontaktflächen 61, 63 je nicht dargestellt sind. Ferner ist in 8G eine Detailansicht aus 8A illustriert.
Der Halbleiterlaser 1 weist das Aufwachssubstrat 20 auf, auf dem die Halbleiterschichtenfolge 2 epitaktisch aufgewachsen ist. Die Halbleiterschichtenfolge 2 basiert bevorzugt auf dem Materialsystem AlInGaN. Bei dem Aufwachssubstrat 20 handelt es sich bevorzugt um ein GaN-Substrat. Bei der aktiven Zone 22 handelt es sich bevorzugt um eine Multiquantentopfstruktur, auch als MQW oder Multi Quantum Well bezeichnet. Eine Dicke der Halbleiterschichtenfolge 2 liegt beispielsweise zwischen einschließlich 2 µm und 10 µm. Eine Dicke des Aufwachssubstrats 20 liegt beispielsweise bei mindestens 40 µm und/oder bei höchstens 400 µm.
Im Betrieb wird in der aktiven Zone 22 im Bereich des Stegwellenleiters 33 die Laserstrahlung erzeugt. Durch den Stegwellenleiter 33 ist die Resonatorstrecke 3 definiert, die senkrecht zu Facetten 25 orientiert ist. Der Stegwellenleiter 33 ist beidseitig von Gräben 32 begrenzt und durch die Gräben 32 definiert. Die Gräben 32 und somit der Stegwellenleiter 33 sind etwa durch Ätzen des p-leitenden Bereichs 21 erzeugt. Die Laserstrahlung weist beispielsweise eine Wellenlänge maximaler Intensität von mindestens 360 nm oder 400 nm und/oder von höchstens 560 nm oder 485 nm auf. Bei der Laserstrahlung handelt es sich etwa um ultraviolette Strahlung oder um blaues Licht, zum Beispiel wenn die Halbleiterschichtenfolge 2 auf AlInGaN basiert. Basiert die Halbleiterschichtenfolge 2 auf AlGaInP oder AlInGaAs, so handelt es sich bei der emittierten Laserstrahlung L bevorzugt um rotes Licht oder um infrarote Strahlung.
Eine Breite des Stegwellenleiters 33 liegt bevorzugt bei mindestens 1,5 µm und/oder bei höchstens 15 µm. Eine Gesamtbreite der Halbleiterschichtenfolge 2, in Richtung senkrecht zur Resonatorstrecke 3, liegt insbesondere bei mindestens 200 µm und/oder bei höchstens 1 mm. Entlang der Resonatorstrecke 3 liegt eine Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge 2 beispielsweise bei mindestens 200 µm und/oder bei höchstens 3 mm, abhängig von einer optischen Leistung des Halbleiterlasers 1.
Gemäß 8 befindet sich der Stegwellenleiter 33 in dem p-leitenden Bereich 21. Alternativ ist es, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, möglich, dass sich der Stegwellenleiter 33 in dem n-leitenden Bereich 23 befindet. Die Kontakte 41, 43 sind durch ein oder durch mehrere Metalle gebildet. In Draufsicht auf eine Unterseite 27 gesehen überlappen die Kontakte 41, 43 nicht. Eine Dicke oder mittlere Dicke des p-Kontakts 41 liegt beispielsweise bei zirka 2 µm. In Richtung weg von der aktiven Zone 22 schließen der p-Kontakt 41 und der n-Kontakt 43 bevorzugt bündig miteinander ab.
Der n-Kontakt 43 erstreckt sich von dem p-leitenden Bereich 21 durch die aktive Zone 22 hindurch in den n-leitenden Bereich 23 und endet in diesem. In Draufsicht gesehen ist der n-Kontakt 43 kreisförmig gestaltet. Ein Durchmesser W1 des n-Kontakts 43 liegt beispielsweise bei mindestens 5 µm oder 10 µm oder 20 µm und/oder bei höchstens 60 µm oder 40 µm. In lateraler Richtung ist der n-Kontakt 43 ringsum von einer elektrischen Isolierung 71 umgeben. Diese elektrische Isolierung 71 reicht bis an eine den p-leitenden Bereich 21 abgewandte Seite des n-Kontakts 43, wobei diese Seite des n-Kontakts 43 frei ist von der Isolierung 71. Ein äußerer Durchmesser der elektrischen Isolierung 71 W2 liegt bevorzugt bei höchstens 200 µm oder 100 µm oder 60 µm und/oder bei mindestens 40 µm oder 60 µm oder 120 µm.
Ferner ist, in Draufsicht gesehen, der n-Kontakt 43 von der Resonatorstrecke 3 beabstandet. Ein Abstand D zwischen der Resonatorstrecke 3 und dem n-Kontakt 43 liegt beispielsweise bei mindestens 20 µm und/oder bei höchstens 200 µm.
Ein Material des p-Kontakts 41 ist nahezu ganzflächig auf die Unterseite 27 der Halbleiterschichtenfolge 2 aufgebracht, wobei der p-Kontakt 41 bevorzugt nicht ganz bis an die Facetten 25 heranreicht. Jedoch wird ein Strom in die Halbleiterschichtenfolge 2 nur im Bereich des Stegwellenleiters 33 eingeprägt. In verbleibenden Gebieten befindet sich zwischen dem p-Kontakt 41 und dem p-leitenden Bereich 21 eine elektrische Isolationsschicht 74, beispielsweise ebenso wie die Isolierung 71 aus Siliziumdioxid oder aus Siliziumnitrid.
Die Isolationsschicht 74 kann sich bis an eine der aktiven Zone 22 abgewandte Seite des Stegwellenleiters 33 erstrecken und diese teilweise bedecken. Alternativ ist es möglich, dass Seitenflächen des Stegwellenleiters 33 von der Isolationsschicht 74 nicht bedeckt sind und dass die Isolationsschicht 74 auf einer Bodenfläche der Gräben 32 endet. Die Gräben 32 reichen, wie bevorzugt auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, nicht bis an die aktive Zone 22 heran.
In den 8B bis 8F sind Beispiele für die Ausgestaltung der Kontakte 41, 43 illustriert. Die Resonatorstrecke 3 ist gemäß 8B mittig in der Halbleiterschichtenfolge 2 angebracht und der n-Kontakt 43 damit ausmittig. Im Ausführungsbeispiel der 8C liegt der n-Kontakt 43 mittig in der Halbleiterschichtenfolge 2, in Draufsicht gesehen. Die Resonatorstrecke 3 ist ausmittig angebracht.
Beim Ausführungsbeispiel der 8D sind mehrere Teilgebiete für den n-Kontakt 43 vorhanden, die entlang der Resonatorstrecke 3 angeordnet sind. In Draufsicht gesehen sind bevorzugt alle Teilgebiete für den n-Kontakt 43 identisch geformt.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in 8E gezeigt, befinden sich Teilgebiete für den n-Kontakt 43 beiderseits der Resonatorstrecke 3. Dies kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen der Fall sein. Die Teilgebiete 43 können dabei rechteckig oder als Kreissektoren geformt sein. In 8E ist illustriert, dass die Teilgebiete unterschiedliche Formen aufweisen, in Draufsicht gesehen. Bevorzugt sind die Teilgebiete 43 jedoch gleich geformt.
Beim Ausführungsbeispiel der 8F erstreckt sich der n-Kontakt 43 streifenförmig entlang der gesamten oder nahezu der gesamten Resonatorstrecke 3. Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist jedoch der n-Kontakt 43 besonders bevorzugt ringsum von einem hier nicht gezeichneten Material der Halbleiterschichtenfolge 2 umgeben.
Insbesondere bei den Ausführungsbeispielen der 8D und 8F ist es, anders als dargestellt, bevorzugt der Fall, dass der elektrische n-Kontakt 43 beiderseits und symmetrisch zur Resonatorstrecke 3 vorhanden ist. Hierdurch ist eine gleichmäßige Stromeinprägung in die Resonatorstrecke 3 möglich und auch eine effiziente Wärmeabfuhr aus der Halbleiterschichtenfolge 2 gewährleistbar.
Anders als in 8 dargestellt, kann die Resonatorstrecke 3 nicht nur entlang einer geraden Linie verlaufen, sondern auch abgewinkelt sein. Dies ist beispielsweise möglich, falls in einem Eckbereich die Halbleiterschichtenfolge 2 eine um 45° gekippte Facette aufweist, an der eine Spiegelung der Laserstrahlung erfolgt. Somit sind bei den hier beschriebenen Halbleiterlasern 1 auch kompliziertere Resonatorstrecken 3, beispielsweise L-förmig oder U-förmig, realisierbar.
Beim Ausführungsbeispiel der Halbleiterlaseranordnung 10, wie in 9 gezeigt, ist auf dem Montageträger 10 stehend eine Linse 18 angebracht. Bei der Linse 18 handelt es sich um eine Zylinderlinse. Eine solche Linse 18 ist bevorzugt auch in allen anderen Ausführungsbeispielen der Anordnung 10 vorhanden. Über die Linse 18 ist eine Strahlfokussierung entlang einer Richtung hoher Divergenz der Laserstrahlung L gegeben. Mit anderen Worten dient die Linse 18 zu einer sogenannten Fast-Axis-Kollimation.
Da die sogenannte Fast Axis, also die Richtung einer relativ großen Strahldivergenz, in 9 parallel zur Montageebene 65 orientiert ist, kann die Linse 18 stehend montiert werden. Eine genaue Positionierung der Linse 18 in Richtung senkrecht zur Montageebene 65 ist damit nicht erforderlich.
In 10 sind Abwandlungen von Anordnungen gezeigt. Gemäß der 10A bis 10D ist die Halbleiterschichtenfolge je parallel zur Montageebene angeordnet, sodass je die Wachstumsrichtung senkrecht zur Montageebene orientiert ist. Um einen ausreichenden Abstand der aktiven Zone zum Montageträger 19 zu gewährleisten, ist zudem ein Sockel 15 erforderlich, siehe insbesondere 10A. Aufgrund des Sockels 15, der zum Beispiel aus Kupfer ist, treten zusätzliche Montagetoleranzen in Richtung senkrecht zur Montageebene 65 auf. Ein solcher Sockel ist in dem oben illustrierten Ausführungsbeispiel nicht erforderlich. Zudem ist die Linse 18 liegend angebracht, was eine genaue Positionierung aufgrund mangelnder glatter Greifflächen und Auflageflächen erschwert.
Ferner sind die Halbleiterlaser in den Anordnungen der 10B bis 10D je über Bonddrähte 14 elektrisch kontaktiert. Demgegenüber ist über die Kontaktflächen in obigen Ausführungsbeispielen eine einfachere Oberflächenmontage, auch als SMT bezeichnet, ohne Bonddrähte und mit geringerem thermischen Widerstand ermöglicht.
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: Halbleiterlaser
14: Bonddraht
15: Sockel
16: Leiterbahn
17: Lot
18: Linse
19: Montageträger
2: Halbleiterschichtenfolge
20: Aufwachssubstrat
21: p-leitender Bereich
22: aktive Zone
23: n-leitender Bereich
25: Facette
3: Resonatorstrecke
32: Graben
33: Stegwellenleiter
41: elektrischer p-Kontakt
43: elektrischer n-Kontakt
61: externe elektrische p-Kontaktfläche
63: externe elektrische n-Kontaktfläche
64: Kontaktmetallisierung
65: Montageebene
66: metallische Grundschicht
71: elektrische Isolierung
81: Vergusskörper
9: temporärer Zwischenträger
10: Halbleiterlaseranordnung
G: Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge
L: Laserstrahlung
M: Beschichtungsmaterial
R: Rundung
S: Separationslinie
W1: Durchmesser des n-Kontakts
W2: Durchmesser der elektrischen Isolierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2014/0227811 A1 [0014]
US 2013/0256740 A1 [0014]
US 2009/0127573 A1 [0014]

Claims

Halbleiterlaser (1) mit – einer Halbleiterschichtenfolge (2), die einen n-leiten Bereich (23), einen p-leitenden Bereich (21) und eine dazwischenliegende aktive Zone (22) umfasst, – mindestens einer Resonatorstrecke (3), in der im Betrieb des Halbleiterlasers (1) eine Laserstrahlung (L) erzeugt wird und die parallel zur aktiven Zone (22) ausgerichtet ist, – einem elektrischen p-Kontakt (41), der sich an dem p-leitenden Bereich (21) befindet und der zur Stromeinprägung direkt in den p-leitenden Bereich (21) eingerichtet ist, – einem elektrischen n-Kontakt (43), der sich an dem n-leitenden Bereich (23) befindet und der zur Stromeinprägung direkt in den n-leitenden Bereich (23) eingerichtet ist, und – einer p-Kontaktfläche (61), die mit dem p-Kontakt (41) elektrisch verbunden ist, und einer n-Kontaktfläche (63), die mit dem n-Kontakt (43) elektrisch verbunden ist, sodass die p-Kontaktfläche (61) und die n-Kontaktfläche (63) zu einem externen elektrischen und mechanischen Anschließen des Halbleiterlasers (1) eingerichtet sind und, mit einer Toleranz von höchstens 45°, teilweise oder vollständig parallel zu einer Wachstumsrichtung (G) der Halbleiterschichtenfolge (2) orientiert sind, wobei der Halbleiterlaser (1) drahtfrei oberflächenmontierbar ist.
Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Resonatorstrecke (3) und die Wachstumsrichtung (G) parallel zu den Kontaktflächen (61, 63) orientiert sind, je mit einer Toleranz von höchstens 2°, wobei die Kontaktflächen (61, 63) in einer gemeinsamen Montageebene (65) liegen und ein Abstand zwischen der Resonatorstrecke (3) und der Montagebene (65) zwischen einschließlich 40 µm und 0,6 mm liegt.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich der n-Kontakt (43) von dem p-leitenden Bereich (21) her durch die aktive Zone (22) hindurch in den n-leitenden Bereich (23) erstreckt und, in Draufsicht gesehen, neben der Resonatorstrecke (3) befindet.
Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der n-Kontakt (43) oder der p-Kontakt (41), in zumindest einem Querschnitt parallel zur aktiven Zone (22) gesehen, ringsum von einem Material der Halbleiterschichtenfolge (2) umgeben ist, wobei der n-Kontakt (43) und der p-Kontakt (41) je aus einem oder aus mehreren Metallen bestehen, und wobei der n-Kontakt (43) innerhalb des n-leitenden Bereichs (23) endet.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich alle Kontaktflächen (61, 63) auf derselben Seite der Halbleiterschichtenfolge (2) befinden, wobei die Kontaktflächen (61, 63) je direkt auf dem zugehörigen Kontakt (41, 43) angebracht sind.
Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem sich die p-Kontaktfläche (61) auf einer anderen Seite der Halbleiterschichtenfolge (2) befindet als die n-Kontaktfläche (63), sodass die Resonatorstrecke (3) mindestens teilweise zwischen den Kontaktflächen (61, 63) angeordnet ist.
Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der p-Kontakt (41) vollständig durch die Halbleiterschichtenfolge (2) hindurch geführt ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner einen Stegwellenleiter (33) umfasst, durch den die Resonatorstrecke (3) definiert ist, wobei von dem p-Kontakt (41) nur an dem Stegwellenleiter (33) Strom in die Halbleiterschichtenfolge (2) eingeprägt wird, und wobei der Stegwellenleiter (33) beidseitig von Gräben (32) in der Halbleiterschichtenfolge (2) begrenzt ist und die Gräben (32) mindestens teilweise mit dem p-Kontakt (41) ausgefüllt sind.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktflächen (61, 63) in der Montageebene (65) entlang einer geraden Linie parallel zur Resonatorstrecke (3) und, in Draufsicht gesehen, neben der Resonatorstrecke (3) angeordnet sind.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine der Kontaktflächen (61, 63), in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge (2) gesehen, L-förmig gestaltet ist und sich die andere der Kontaktflächen (63, 61) in einem Raum zwischen Schenkeln des L’s befindet.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kontaktflächen (61, 63) eine konvexe Rundung (R) aufweisen, die in Richtung hin zur Halbleiterschichtenfolge (2) weist und die auf die Kontaktflächen (61, 63) beschränkt ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterschichtenfolge (2), in Draufsicht gesehen, ringsum von einem Vergusskörper (81) umgeben ist und der Vergusskörper (81) aus einem Kunststoff geformt ist, wobei eine Dicke des Vergusskörpers (81) gleich ist einer Dicke der Halbleiterschichtenfolge (2) zusammen mit dem Aufwachssubstrat (20), mit einer Toleranz von höchstens 3 µm.
Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Vergusskörper (81), in Richtung parallel zur aktiven Zone (22), die Kontaktflächen (61, 63) und die Halbleiterschichtenfolge (29) ringsum überragt mit einer Breite von mindestens 5 µm und höchstens 50 µm.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Dicke der Kontaktflächen (61, 63), in Richtung senkrecht zur aktiven Zone (22), zwischen einschließlich 40 µm und 0,6 mm liegt, wobei der p-Kontakt (41), der n-Kontakt (43) und die Kontaktflächen (61, 63) gegenüber Facetten (25) der Halbleiterschichtenfolge (2) zurückversetzt sind, wobei die Resonatorstrecke (3) senkrecht zu einander gegenüberliegenden Facetten (25) verläuft und die Facetten (25) Resonatorendflächen der Resonatorstrecke (3) bilden und senkrecht zur Montageebene (65) orientiert sind.
Halbleiterlaseranordnung (10) mit – mindestens einem Halbleiterlaser (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, – einem Montageträger (19), auf dem der Halbleiterlaser (1) mit über die p-Kontaktfläche (61) und die n-Kontaktfläche (63) befestigt ist, und – einer Linse (18), die direkt auf den Montageträger (19) aufgebracht ist und die dem Halbleiterlaser (1) optisch unmittelbar nachgeordnet ist.