DE102016103358A1 - Laserbarren mit gräben - Google Patents

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Andreas LOEFFLER
Clemens Vierheilig
Sven Gerhard
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laserbarren (1) mit einer Halbleiterschicht (11) mit mehreren Schichten und mit einer aktiven Zone (15), wobei die aktive Zone (15) in einer x-y-Ebene angeordnet ist, wobei Laserdioden (12) jeweils in einer x-Richtung zwischen zwei Endflächen einen Modenraum (4) ausbilden, wobei die Modenräume (4) der Laserdioden (12) nebeneinander in der y-Richtung angeordnet sind, wobei zwischen zwei Modenräumen (4) ein Graben (3) in der Halbleiterschicht (11) vorgesehen ist, wobei sich die Gräben (3) in der x-Richtung erstrecken, und wobei sich die Gräben (3) von einer Oberseite der Halbleiterschicht (11) in der z-Richtung bis in die aktive Zone (15) erstrecken.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Laserbarren gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines Laserbarrens gemäß Anspruch 12.
  • Im Stand der Technik ist aus DE 196 44 941 C1 ein Hochleistungsdiodenlaser bekannt, wobei ein Laserbarren mit mehreren Laserdioden vorgesehen ist, wobei die Laserdioden durch Sollbruchstellen im Laserbarren voneinander getrennt sind. Nach dem Auflöten und nach dem Abkühlen des Laserbarrens auf eine Wärmesenke mit einem geringeren Ausdehnungskoeffizienten führen die Gräben zu Sollbruchstellen und zum Bruch. Durch die körperliche Aufspaltung des Laserbarrens wird die Verwendung eines Lotes mit bei Raumtemperatur geringer Duktilität möglich, da eine Zerstörung der einzelnen Laserdioden des Laserbarrens in Folge mechanischer Spannungen ausgeschlossen werden kann. Zudem ist zwischen zwei weiteren Laserdioden ein Graben in der Oberfläche eingebracht.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten Laserbarren mit mehreren Laserdioden bereitzustellen, wobei insbesondere eine mechanische Stabilität des Laserbarrens verbessert ist, und zudem optische Eigenschaften der Laserdioden verbessert sind.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Laserbarren gemäß Patentanspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.
  • In den abhängigen Ansprüchen sind Weiterbildungen des Laserbarrens angegeben.
  • Es wird ein Laserbarren mit Halbleiterschichten mit einer aktiven Zone vorgeschlagen, wobei die aktive Zone in einer x-y-Ebene angeordnet ist, wobei Laserdioden jeweils in einer x-Richtung zwischen zwei Endflächen einen Modenraum ausbilden, wobei die Modenräume der Laserdioden nebeneinander in der y-Richtung angeordnet sind, wobei zwischen zwei Modenräumen ein erster Graben vorgesehen ist, wobei sich die ersten Gräben in der x-Richtung erstrecken, wobei die ersten Gräben eine vorgegebene Breite in der y-Richtung und eine vorgegebene Tiefe in der z-Richtung aufweisen. Durch die Gräben werden mechanische Spannungen im Laserbarren reduziert. Die ersten Gräben erstrecken sich von einer Oberseite der Halbleiterschicht in der z-Richtung bis in die aktive Zone. Dadurch wird eine Fokussierung der Stromdichte auf den gewünschten Bereich der aktiven Zone erreicht. In einer Ausführung können sich die Gräben auch über die aktive Zone hinaus erstrecken.
  • In einer Ausführung ist in y-Richtung zwischen zwei ersten Gräben eine zweite Laserdiode mit einem zweiten Modenraum angeordnet, wobei der zweite Modenraum sich in der x-Richtung zwischen den zwei Endflächen erstreckt.
  • In einer Ausführung ist zwischen den zwei Laserdioden, die zwischen zwei ersten Gräben angeordnet sind, ein zweiter Graben vorgesehen, wobei der zweite Graben entlang der x-Richtung verläuft, wobei der zweite Graben eine kleinere Tiefe in der Z-Richtung als der erste Graben aufweist.
  • In einer Ausführung weist der zweite Graben in der y-Richtung eine kleinere Breite als der erste Graben auf.
  • In einer Ausführung erstreckt sich der zweite Graben in der Z-Richtung bis in die aktive Zone der ersten und der zweiten Laserdiode. In einer Ausführung kann sich der zweite Graben bis über die aktive Zone hinaus erstrecken.
  • In einer Ausführung sind die zweiten Gräben mit einem Material, insbesondere mit einem Material gefüllt, das elektromagnetische Strahlung der Laserdiode absorbiert.
  • In einer Ausführung ist der Laserbarren auf einem Träger montiert.
  • In einer Ausführung ist der Laserbarren mit der Seite, in der die Gräben eingebracht sind, nach unten auf den Träger montiert.
  • In einer Ausführung haben die ersten Gräben eine Breite in der y-Richtung von 1 bis 100 μm oder mehr, insbesondere eine Breite im Bereich von 50 μm.
  • In einer Ausführung haben die zweiten Gräben eine Breite in der y-Richtung von 1 bis 100 μm oder mehr, insbesondere im Bereich von 50 μm.
  • In einer Ausführung ist die Halbleiterschicht aus einem GaN Materialsystem gebildet ist.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei
  • 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Laserbarrens,
  • 2 eine Draufsicht auf die Anordnung der 1,
  • 3 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform,
  • 4 eine Draufsicht auf die weitere Ausführungsform der 3,
  • 5 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Laserbarrens,
  • 6 eine vergrößerte Darstellung einer Draufsicht auf den Laserbarren der 5,
  • 7 einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Laserbarrens,
  • 8 eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt des Laserbarrens der 7, und
  • 9 eine schematische Darstellung eines weiteren Laserbarrens auf einem Träger zeigt.
  • 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Laserbarren 1 im Querschnitt. Der Laserbarren 1 weist auf einer ersten Seite 2 Gräben 3 auf. Die Gräben 3 sind entlang einer x-Achse ausgerichtet, die senkrecht zur Blattebene steht. Die Gräben 3 erstrecken sich in der z-Achse bis zu einer vorgegebenen Tiefe. Zudem weisen die Gräben 3 in der y-Achse eine vorgegebene Breite auf. Die Breite der Gräben 3 liegt im Bereich von 1 bis 100 μm, bevorzugst im Bereich von 50 μm. Die Tiefe der Gräben 3 liegt im Bereich von 1 bis 10 μm, insbesondere im Bereich von 7 μm. Der Laserbarren 1 weist im oberen Bereich eine Halbleiterschicht 11 mit mehreren Schichten auf, die in einer x-y-Ebene angeordnet ist und eine aktive Zone 15 zum Erzeugen elektromagnetscher Strahlung aufweist. Die Halbleiterschicht 11 ist auf einem Substrat 16 angeordnet. Abhängig von der gewählten Ausführungsform können die Gräben 3 bis unter die aktive Zone 15 der Halbleiterschicht 11 führen. Zudem können die Gräben 3 bis in das Substrat 16 führen. Abhängig von der gewählten Ausführung kann auf das Substrat 16 auch verzichtet werden.
  • Die Halbleiterschicht 11 weist eine Schichtenfolge auf, bei der z. B. ein p-n-Übergang zwischen einer positiv leitenden Halbleiterschicht und einer negativ leitenden Halbleiterschicht in der Weise ausgebildet ist, dass die aktive Zone 15 ausgebildet wird. Die aktive Zone 15 ist ausgebildet, um bei Anlegen einer vorgegebenen Spannung eine elektromagnetische Strahlung zu erzeugen. Abhängig von der gewählten Ausführungsform kann die aktive Schicht eine Quantentopfstruktur aufweisen. Die aktive Zone kann auch Quantentöpfe oder Quantentopfstrukturen aufweisen. Die Halbleiterschicht 11 weist in einer Ausführung auf einer p-Seite in Bezug auf die aktive Zone 15 mehrere übereinander angeordnete p dotierte Halbleiterschichten auf, die sich in der Dotierung und/oder in der Zusammensetzung unterscheiden können. Zudem weist die Halbleiterschicht 11 in einer Ausführung auf einer n-Seite in Bezug auf die aktive Zone 15 mehrere n dotierte Halbleiterschichten auf, die sich in der Dotierung und/oder in der Zusammensetzung unterscheiden können. Die Halbleiterschicht 11 kann eine Schichtfolge aus einem GaN Materialsystem mit Al und/oder In aufweisen oder aus einem GaN Materialsystem mit Al und/oder In bestehen.
  • Die Halbleiterschichtenfolge ist in der Weise ausgebildet, dass zwischen zwei Gräben 3 eine Laserdiode 12 ausgebildet ist, wobei die von der Laserdiode 12 erzeugte elektromagnetische Strahlung in einer Mode 4 zwischen zwei Endflächen des Laserbarrens geführt wird. Die Endflächen sind jeweils in der z-y-Ebene angeordnet und wenigstens teilreflektierend ausgebildet. Wenigstens eine Endfläche ist in der Weise ausgebildet, dass elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt wird.
  • Durch die Gräben 3 können einzelne Laserdioden 15 unterteilt werden. Die Gräben 3 können z. B. eine Breite in der y-Achse von 10 μm bis 100 μm, bevorzugt im Bereich von 50 μm haben.
  • 2 zeigt in einer vergrößerten perspektivischen Darstellung eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der Anordnung der 1, wobei Stege 5 auf der ersten Seite 2 ausgebildet sind. Die Stege 5 sind entlang der x-Achse parallel zueinander und zwischen zwei Endflächen 13, 14 angeordnet. Die Stege 5 sind aus einem strukturierten Halbleitermaterial gebildet und bilden eine Ridgestruktur zur Führung einer optischen Mode der Laserdiode entlang der Längsrichtung. Die Stege 5 können eine Höhe in der Z-Richtung im Bereich von 1 bis 2000 nm haben. Zudem können die Stege 5 mit einem elektrischen Kontakt versehen sein, der einen ersten elektrischen Anschluss einer Laserdiode 12 darstellt. Unterhalb jedes Steges 5 wird beim Betrieb der Laserdiode 12 eine optische Mode 4 ausgebildet. Zwischen den Stegen 5 sind die Gräben 3 in die erste Seite 2 des Laserbarrens 1 eingebracht. Abhängig von der gewählten Ausführungsform ist der ersten Seite 2 eine positiv dotierte Halbleiterschicht und einer gegenüberliegenden zweiten Seite 6 eine negativ dotierte Halbleiterschicht zugeordnet.
  • 3 zeigt in einem schematischen Querschnitt eine weitere Ausführungsform eines Laserbarrens 1, die im Wesentlichen gemäß der Ausführungsform der 1 ausgebildet ist, wobei jedoch zwischen zwei Gräben 3 zwei Moden 4 angeordnet sind. Abhängig von der gewählten Ausführung können auch mehr als zwei Moden 4 zwischen zwei Gräben 3 vorgesehen sein. Zu jeder Mode 4 kann ein entsprechender Steg gehören, die nicht explizit dargestellt sind.
  • 4 zeigt in einer teilperspektivischen Darstellung einen Teilausschnitt des Laserbarrens 1 der 3. Somit sind auch zwei Laserdioden 12 mit zwei Stegen 5 zwischen zwei Gräben 3 angeordnet, wobei jede Laserdiode 12 im Betrieb eine Mode 4 zwischen zwei Gräben 3 ausbilden kann. Auch bei dieser Ausführung können die Gräben 3 bis in das Substrat 16 reichen.
  • 5 zeigt in einem schematischen Querschnitt eine weitere Ausführungsform eines Laserbarrens 1, die im Wesentlichen gemäß der Ausführungsform der 3 ausgebildet ist, wobei jedoch zwischen zwei Moden 4 von zwei Laserdioden 12, die zwischen zwei Gräben 3 angeordnet sind, jeweils ein zweiter Graben 7 angeordnet ist. Abhängig von der gewählten Ausführung können auch mehr als zwei Moden 4 zwischen zwei Gräben 3 vorgesehen sein. Jeweils zwischen zwei Moden 4 kann ein zweiter Graben 7 ausgebildet sein. Die zweiten Gräben 7 können eine Breite von 1 bis 100 μm, bevorzugt 50 μm in der y-Richtung haben. Zudem können die zweiten Gräben 7 eine Tiefe von 0,3 bis 5 μm, bevorzugt von 1 μm in der Z-Richtung haben. Abhängig von der gewählten Ausführung können die zweiten Gräben 7 auch bis in das Substrat 16 reichen.
  • 6 zeigt einen vergrößerten Teilausschnitt der Anordnung der 5 in einer perspektivischen Darstellung. Die Moden 4 weisen einen möglichst großen Abstand von den Gräben 3 auf. Der Abstand zwischen zwei Moden 4 in der y-Richtung ist kleiner, insbesondere um mindestens 10%, vorzugsweise 20% kleiner als der Abstand einer Mode 4 vom benachbarten Graben 3.
  • Mithilfe des zweiten Grabens 7, der in die erste Seite 2 eingebracht ist, und der beispielsweise bis unter die aktive Zone der Halbleiterschicht 11 in der z-Richtung geführt ist, wird die Ausbildung von parasitären Moden in der Laserdiode 12 zusätzlich erschwert.
  • Die Moden 4 sind jeweils möglichst weit von den Gräben 3 beabstandet. Bei der Ausführungsform, bei der zwei Moden 4 zwischen zwei Gräben 3 angeordnet sind, ist der Abstand der zwei Moden 4 möglichst klein gewählt. Die Position der Moden 4 kann im Wesentlichen durch die Position der Stege 5 festgelegt werden.
  • 7 zeigt in einem schematischen Querschnitt eine weitere Ausführungsform eines Laserbarrens 1, der im Wesentlichen gemäß der Ausführungsform der 5 ausgebildet ist, wobei jedoch die zweiten Gräben 7 wenigstens teilweise oder vollständig mit einem absorbierenden Material 8 gefüllt ist. In dem dargestellten Beispiel ist auch ein Teil der Oberfläche des Laserbarrens 3 mit dem Material 8 aufgefüllt. In der X-Richtung erstreckt sich das Material 8 beispielsweise über die gesamte Länge des Laserbarrens 1. Das absorbierende Material 8 ist bei der Laserwellenlänge der Laserdiode absorbierend ausgebildet. Das Material 8 kann beispielsweise ein bei der Wellenlänge der Laserdiode absorbierendes Dielektrikum sein. Alternativ können die zweiten Gräben 7 auch mit einem Schichtsystem gefüllt werden, wobei die erste Schicht nicht elektrisch leitend ausgebildet sein muss und die Absorption der Laserwellenlänge in wenigstens einer über der ersten Schicht liegenden zweiten Schichten stattfinden kann. Die wenigstens eine zweite Schicht kann wiederum die Laserwellenlänge der Laserdiode absorbierende Dielektrika oder Halbleitermaterialien aufweisen, oder Metalle wie z. B. Cr, Ti, Pt, Au, etc. Das absorbierende Material 8 ist ausgebildet, um wenigstens 10%, insbesondere 50% oder sogar 80% oder mehr der elektromagnetischen Strahlung der Laserdioden zu absorbieren.
  • 8 zeigt einen schematischen Teilausschnitt in perspektivischer Darstellung der Anordnung der 7, bei der die Ausbildung der Metallschicht 8 transparent dargestellt ist, wobei die Metallschicht 8 in Form eines Streifens ausgebildet ist, der sowohl den zweiten Graben 7 als auch die Stege 5 der zwei Laserdioden überdeckt, die zwischen zwei Gräben 3 angeordnet sind. Auch bei dieser Ausführung können mehr als zwei Laserdioden 12 mit zwei Moden 4 und entsprechenden Stegen 5 zwischen zwei Gräben 3 angeordnet sein. Zudem kann zwischen dem Material des Laserbarrens 3 und dem Material 8, insbesondere zwischen dem Steg 5 und dem Material 8 eine elektrische Isolationsschicht ausgebildet sein.
  • Abhängig von den gewählten Ausführungsformen der vorhergehenden Beispiele weisen die zweiten Gräben 7 eine geringere Tiefe in der z-Richtung als die Gräben 3 auf. Zudem weisen abhängig von der gewählten Ausführungsform die zweiten Gräben 7 eine geringere Breite in der y-Richtung als die Gräben 3 auf. Die Gräben 3 und die zweiten Gräben 7 können im Querschnitt verschiedene Formen aufweisen.
  • Zusätzlich können die ersten und die zweiten Gräben 3, 7 in x-Richtung bei allen Ausführungsbeispielen in Breite, Tiefe und/oder der Form variieren.
  • 9 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Laserbarren 1, der über eine Verbindungsschicht 9, die beispielsweise aus einem Lotmaterial besteht, auf einem Träger 10 befestigt ist. Der Träger 10 kann eine Wärmesenke darstellen, die Wärme vom Laserbarren 1 abführt.
  • Der Laserbarren 1 kann entweder p-seitig auf dem Träger 10 oder n-seitig auf dem Träger 10 beispielsweise über eine thermisch leitende Schicht, insbesondere ein Lotmaterial montiert sein.
  • Die Gräben 3 und/oder die zweiten Gräben 7 können beispielsweise mithilfe eines ELOG-Verfahrens in der Halbleiterschicht 11 hergestellt werden. Das ELOG-Verfahren ist beispielsweise in DE 10142656 A1 beschrieben und betrifft ein Verfahren, bei dem die Halbleiterschicht 11, die mehrere Schichten aufweist, mithilfe eines epitaktischen lateralen Überwachsverfahrens auf einer vorstrukturierten Maske in der Weise abgeschieden wird, dass die ersten und/oder die zweiten Gräben 3, 7 aufgrund der Maske beim Abscheiden der Halbleiterschicht 11 ausgebildet werden.
  • Zudem können die ersten und/oder die zweiten Gräben 3,7 über eine Vorstrukturierung eines Substrates 16 mit entsprechenden Gräben und einem anschließenden Abscheiden der Halbleiterschichten auf die vorstrukturierte Seite hergestellt werden, wobei die ersten und/oder die zweiten Gräben in der Halbleiterschicht 11 beim Abscheiden der Halbleiterschicht entstehen. Weiterhin können die ersten und/oder die zweiten Gräben 3, 7 nach dem Abscheiden der Halbleiterschicht 11 in die Halbleiterschicht 11 z. B. mithilfe von Ätzverfahren eingebracht werden.
  • Abhängig von dem verwendeten Herstellungsverfahren können die ersten und/oder die zweiten Gräben 3 nur in der Halbleiterschicht 11 ausgebildet sein oder bis in das Substrat 16 reichen.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Laserbarren
    2
    erste Seite
    3
    Graben
    4
    Mode
    5
    Steg
    6
    zweite Seite
    7
    zweiter Graben
    8
    Metallschicht
    9
    Verbindungsschicht
    10
    Träger
    11
    Halbleiterschicht
    12
    Laserdiode
    13
    erste Endfläche
    14
    zweite Endfläche
    15
    aktive Zone
    16
    Substrat
  • 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
    • DE 19644941 C1 [0002]
    • DE 10142656 A1 [0044]

Claims (12)

  1. Laserbarren (1) mit einer Halbleiterschicht (11) mit mehreren Schichten und mit einer aktiven Zone (15), wobei die aktive Zone (15) in einer x-y-Ebene angeordnet ist, wobei Laserdioden (12) jeweils in einer x-Richtung zwischen zwei Endflächen einen Modenraum (4) ausbilden, wobei die Modenräume (4) der Laserdioden (12) nebeneinander in der y-Richtung angeordnet sind, wobei zwischen zwei Modenräumen (4) ein Graben (3) in der Halbleiterschicht (11) vorgesehen ist, wobei sich die Gräben (3) in der x-Richtung erstrecken, und wobei sich die Gräben (3) von einer Oberseite der Halbleiterschicht (11) in der z-Richtung bis in die aktive Zone (15) erstrecken.
  2. Laserbarren nach Anspruch 1, wobei in y-Richtung zwischen zwei Gräben (3) eine zweite Laserdiode (12) mit einem zweiten Modenraum (4) angeordnet ist, wobei der zweite Modenraum (4) sich in der x-Richtung zwischen den zwei Endflächen erstreckt.
  3. Laserbarren nach Anspruch 2, wobei zwischen den zwei Laserdioden (12), die zwischen zwei Gräben (3) angeordnet sind, ein zweiter Graben (7) vorgesehen ist, wobei der zweite Graben (7) entlang der x-Richtung verläuft, wobei der zweite Graben (7) eine kleinere Tiefe in der Z-Richtung und/oder eine kleinere Breite in der y-Richtung als der erste Graben (3) aufweist.
  4. Laserbarren nach Anspruch 3, wobei sich der zweite Graben (7) in der Z-Richtung bis in die aktive Zone (15) der Laserdioden (12) erstreckt.
  5. Laserbarren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei in den zweiten Gräben (7) absorbierendes Material (8) angeordnet ist, wobei das absorbierende Material (8) ausgebildet ist, um eine von einer Laserdiode (12) erzeugte elektromagnetische Strahlung wenigstens teilweise zu absorbieren.
  6. Laserbarren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschicht (11) auf einem Substrat (16) angeordnet ist, und wobei die ersten Gräben (3) und/oder die zweiten Gräben (7) sich bis in das Substrat (16) erstrecken.
  7. Laserbarren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserbarren (1) auf einem Träger (10) montiert ist, wobei der Träger (10) insbesondere als Wärmesenke ausgebildet ist.
  8. Laserbarren nach Anspruch 7, wobei der Laserbarren (1) mit der Seite, in der die Gräben (3) eingebracht sind, auf den Träger (10) montiert ist.
  9. Laserbarren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gräben (3) eine Breite in der y-Richtung von 1 bis 100 μm, insbesondere um 50 μm aufweisen.
  10. Laserbarren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die zweiten Gräben (7) eine Breite in der y-Richtung von 1 bis 100 μm, insbesondere um 50 μm aufweisen.
  11. Laserbarren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschicht aus einem GaN Materialsystem, insbesondere aus einem GaN Materialsystem mit Al und/oder In gebildet ist.
  12. Verfahren zum Herstellen eines Laserbarrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschicht auf ein mit Gräben vorstrukturiertes Substrat abgeschieden wird, wobei Gräben in der Halbleiterschicht gebildet werden, und/oder wobei die Gräben durch eine Strukturierung der Halbleiterschicht nach dem Abscheiden erzeugt werden, oder wobei durch einen ELOG Prozess beim Abscheiden der Halbleiterschicht die Gräben erzeugt werden.
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