DE102016111442A1

DE102016111442A1 - Halbleiterlichtquelle

Info

Publication number: DE102016111442A1
Application number: DE102016111442.1A
Authority: DE
Inventors: Christoph Eichler; Sven Gerhard; Alfred Lell; Bernhard Stojetz
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2017-12-28
Also published as: US20190199056A1; DE112017003107B4; US10673201B2; JP2019519936A; WO2017220325A1; DE112017003107A5; CN109417275A; CN109417275B; JP6679765B2

Abstract

Es umfasst die Halbleiterlichtquelle (1) einen Laser (2) und einen Leuchtstoff (3). Der Laser (2) umfasst einen Halbleiterkörper (21) mit einer aktiven Zone (22) zur Erzeugung von Laserstrahlung (L). In dem Laser (2) ist ein Resonator (23) mit Resonatorspiegeln (25) und mit einer Längsachse (24) ausgebildet. Die Laserstrahlung (L) wird im Betrieb längs der Längsachse (24) geführt und verstärkt. Die aktive Zone (22) befindet sich wenigstens zum Teil in dem Resonator (23). Der Leuchtstoff (3) ist spaltfrei optisch an den Resonator (23) gekoppelt, sodass in Richtung quer zur Längsachse (24) die Laserstrahlung (L) in den Leuchtstoff (3) gelangt und in eine Sekundärstrahlung (S) mit einer größeren Wellenlänge umgewandelt wird.

Description

Es wird eine Halbleiterlichtquelle angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Halbleiterlichtquelle anzugeben, mit der effizient inkohärentes verschiedenfarbiges Licht erzeugbar ist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch eine Halbleiterlichtquelle mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlichtquelle einen oder mehrere Laser. Der zumindest eine Laser ist dazu eingerichtet, eine Superlumineszenzstrahlung und/oder eine Laserstrahlung zu erzeugen. Bevorzugt wird oberhalb einer Laserschwelle, die im bestimmungsgemäßen Betrieb überschritten wird, eine Laserstrahlung erzeugt. Bei der erzeugten Laserstrahlung kann es sich um monochromatisches oder im Wesentlichen monochromatisches Licht handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlichtquelle einen oder mehrere Leuchtstoffe oder eine Leuchtstoffmischung. Der Leuchtstoff oder die Leuchtstoffmischung umfasst bevorzugt zumindest einen der folgenden Leuchtstoffe: Eu²⁺-dotierte Nitride wie (Ca,Sr)AlSiN₃:Eu²⁺, Sr(Ca,Sr)Si₂Al₂N₆:Eu²⁺, (Sr,Ca)AlSiN₃·Si₂N₂O:Eu²⁺, (Ca,Ba,Sr)₂Si₅N₈:Eu²⁺, (Sr,Ca)[LiAl₃N₄]:Eu²⁺; Granate aus dem allgemeinen System (Gd,Lu,Tb,Y)₃(Al,Ga,D)₅(O,X)₁₂:RE mit X = Halogenid, N oder zweiwertiges Element, D = dreiwertiges oder vierwertiges Element und RE = Seltenerdmetalle wie Lu₃(Al_l-xGa_x)₅O₁₂:Ce³⁺, Y₃(Al_1-xGa_x)₅O₁₂:Ce³⁺; Eu²⁺-dotierte Sulfide wie (Ca,Sr,Ba)S:Eu²⁺; Eu²⁺-dotierte SiONe wie (Ba,Sr,Ca)Si₂O₂N₂:Eu²⁺; SiAlONe etwa aus dem System Li_xM_yLn_zSi_12-(m+n)Al_(m+n)O_nN_16-n; beta-SiAlONe aus dem System Si_6-xAl_zO_yN_8-y:RE_z mit RE = Seltenerdmetalle; Nitrido-Orthosilikate wie AE_2-x-aRE_xEu_aSiO_4-xN_x oder AE_2-x-aRE_xEu_aSi_1-yO_4-x-2yN_x mit RE = Seltenerdmetall und AE = Erdalkalimetall oder wie (Ba,Sr,Ca,Mg)₂SiO₄:Eu²⁺; Chlorosilikate wie Ca₈Mg(SiO₄)₄Cl₂:Eu²⁺; Chlorophosphate wie (Sr,Ba,Ca,Mg)₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu²⁺; BAM-Leuchtstoffe aus dem BaO-MgO-Al₂O₃-System wie BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺; Halophosphate wie M₅(PO₄)₃(Cl,F):(Eu²⁺,Sb²⁺,Mn²⁺); SCAP-Leuchtstoffe wie (Sr,Ba,Ca)₅(PO₄)₃Cl:Eu²⁺. Als Leuchtstoffe sind auch die in der Druckschrift EP 2 549 330 A1 angegebenen Leuchtstoffe einsetzbar. Hinsichtlich der verwendeten Leuchtstoffe wird der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift durch Rückbezug mit aufgenommen. Außerdem können sogenannte Quantenpunkte als Leuchtstoff verwendet werden. Quantenpunkte in der Form nanokristalliner Materialien, welche eine Gruppe II-VI-Verbindung und/oder eine Gruppe III-V-Verbindungen und/oder eine Gruppe IV-VI-Verbindung und/oder Metall-Nanokristalle beinhalten, sind hierbei bevorzugt.
Weiterhin kann der Leuchtstoff aus einer epitaktisch gewachsenen Halbleiterschicht mit einem oder mehreren Quantentopfstrukturen wie Quantenfilmen oder Quantenpunkten gebildet sein. Entsprechende Quantentopfstrukturen emittieren über Fotolumineszenz. Weiterhin ist es möglich, dass der Leuchtstoff durch eine zumindest teilweise geschlossene Schicht oder durch einzelne Halbleiterpartikel etwa mit Quantenpunkten gebildet ist oder solche enthält.
Ferner ist es möglich, dass der Leuchtstoff vollständig durch ein Streumittel ersetzt ist oder dass ein Streumittel zusätzlich zu dem Leuchtstoff vorhanden ist. Ein Streumittel ist beispielsweise durch eine geometrische Strukturierung einer Schicht, etwa einer Aufrauung, gebildet. Ferner kann das Streumittel durch eine Mischung aus zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices gebildet sein, beispielsweise durch eine lichtdurchlässige Matrix, in der Streuelemente wie Streupartikel oder Hohlräume enthalten sind. Beispielsweise ist das Streumittel durch eine Silikonschicht gebildet, in die Titandioxid-Partikel eingebettet sind. Im Unterschied zu einem Leuchtstoff führt das Streumittel zu keiner oder zu keiner signifikanten Änderung eines Spektrums der Laserstrahlung. Lediglich eine räumliche Abstrahlcharakteristik und Kohärenzeigenschaften der Laserstrahlung werden durch das Streumittel verändert. Die Ausführungen zur Anordnung des Leuchtstoffs gelten für das Streumittel in gleicher Weise.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Kohärenzlänge der abgestrahlten Laserstrahlung und/oder von abgestrahltem mischfarbigem Licht durch das Streumittel und/oder durch den Leuchtstoff auf höchstens 10 µm oder 5 µm reduziert. Mit anderen Worten erfolgt an dem Streumittel und/oder an dem Leuchtstoff eine vergleichsweise starke, unkorrelierte und stochastische Streuung oder Umlenkung der Laserstrahlung, sodass die Kohärenz verloren oder im Wesentlichen verloren geht. Es ist die Kohärenzlänge insbesondere durch eine Menge des Streumittels und/oder des Leuchtstoffs einstellbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der zumindest eine Laser einen Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper umfasst eine Halbleiterschichtenfolge. In der Halbleiterschichtenfolge ist mindestens eine aktive Zone zur Erzeugung der Laserstrahlung gebildet. In der aktiven Zone wird die Laserstrahlung durch Elektrolumineszenz erzeugt. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wie Al_xIn_yGa_1-x-yN 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 oder wie Al_nGa_mIn_1-n-mAs_kP_1-k, wobei jeweils 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, x + y ≤ 1, 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n + m ≤ 1 sowie 0 ≤ k < 1 ist. Bevorzugt gilt dabei für zumindest eine Schicht oder für alle Schichten der Halbleiterschichtenfolge 0 ≤ x ≤ 0,9 und 0 ≤ y ≤ 0,4 sowie 0 < n ≤ 0,8, 0,2 ≤ m < 1 und n + m ≤ 0,95 und 0 < k ≤ 0,5. 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 ist in dem Laser einer oder sind mehrere Resonatoren gebildet. Die Resonatoren verfügen bevorzugt jeweils über einen oder mehrere Resonatorspiegel. Ferner weisen die Resonatoren bevorzugt jeweils eine Längsachse auf. Entlang der Längsachse erfolgt eine Führung der Laserstrahlung, insbesondere mittels der Resonatorspiegel. Dabei können die Resonatorspiegel und/oder die Längsachse gerade verlaufen oder gekrümmt sein. Im Falle einer gerade verlaufenden Längsachse sind die Resonatorspiegel bevorzugt senkrecht zur Längsachse ausgerichtet. Im Falle von gekrümmt verlaufenden Längsachsen, beispielsweise bei Ringresonatoren, können die Resonatorspiegel auch tangential zur dann ringförmigen Längsachse angeordnet sein.
Im Betrieb der Halbleiterlichtquelle erfolgt längs der Längsachse eine Führung der Laserstrahlung und bevorzugt auch eine Verstärkung der Laserstrahlung. Mit anderen Worten ist ein aktives Lasermedium entlang der Längsachse angebracht, insbesondere in Form der aktiven Zone, so dass eine stimulierte Strahlungsemission im Bereich entlang der Längsachse erfolgt. Weiterhin befindet sich die aktive Zone, bevorzugt nur zum Teil, in dem Resonator.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff optisch an den Resonator gekoppelt. Dies bedeutet insbesondere, dass im Resonator geführte Laserstrahlung mit dem Leuchtstoff wechselwirken kann. Bevorzugt ist der Leuchtstoff spaltfrei an den Resonator gekoppelt, sodass sich zwischen dem Leuchtstoff und dem Resonator kein Hohlraum, der evakuiert oder mit einem Gas gefüllt sein kann, befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform gelangt die Laserstrahlung überwiegend oder ausschließlich in Richtung quer zur Längsachse in den Leuchtstoff. Quer bedeutet in einem Winkel ungleich 0°, beispielsweise mindestens 30° oder 60°. Im Leuchtstoff wird die Laserstrahlung in eine Sekundärstrahlung umgewandelt. Die Sekundärstrahlung weist bevorzugt eine größere Wellenlänge auf als die Laserstrahlung. Die an den Leuchtstoff gelangende Laserstrahlung wird teilweise oder vollständig in die Sekundärstrahlung umgewandelt, sodass insbesondere keine Laserstrahlung durch den Leuchtstoff hindurch tritt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlichtquelle einen Laser und mindestens einen Leuchtstoff. Der Laser umfasst einen Halbleiterkörper mit mindestens einer aktiven Zone zur Erzeugung von Laserstrahlung. In dem Laser ist wenigstens ein Resonator mit Resonatorspiegeln und mit einer Längsachse ausgebildet. Die Laserstrahlung wird im Betrieb längs der Längsachse geführt und verstärkt. Die aktive Zone befindet sich wenigstens zum Teil in dem Resonator. Der Leuchtstoff ist bevorzugt spaltfrei optisch an den Resonator gekoppelt, so dass in Richtung quer zur Längsachse zumindest ein Teil der Laserstrahlung in den Leuchtstoff gelangt und in eine Sekundärstrahlung mit einer größeren Wellenlänge umgewandelt wird.
Lichtemittierende Halbleiterbauteile sind beispielsweise durch Leuchtdioden, kurz LEDs, und Laserdioden gebildet. LEDs können mit Leuchtstoffen kombiniert werden, etwa um weißes Licht zu erzeugen, und zeigen eine hohe Effizienz bei kleinen Stromdichten auf. Allerdings nimmt die Effizienz von LEDs hin zu hohen Stromdichten ab, als so genannter Droop bekannt. Um hohe Leistungen mit hinreichender Effizienz mit LEDs zu erreichen, müssen die LEDs eine vergleichsweise große Fläche aufweisen, womit hohe Herstellungskosten verbunden sind.
Bei Laserdioden hingegen ist eine Ladungsträgerdichte oberhalb der Laserschwelle näherungsweise konstant, die Ladungsträgerdichte steigt ab der Laserschwelle nicht oder nicht signifikant weiter an. Dadurch kann der so genannte Droop-Effekt verringert oder ausgeschaltet werden und die Bauteile können effizient bei höheren Stromdichten betrieben werden. Bei Lasern jedoch wird die Strahlung an einem relativ kleinen Austrittsbereich emittiert, sodass in diesem Bereich sehr hohe Leistungsdichten auftreten. Wird eine Laserfacette direkt mit Leuchtstoffen beschichtet, so kann die hohe Leistungsdichte an der Facette zu einer Sättigung und/oder Zerstörung des Leuchtstoffs führen. Andere Ansätze bestehen darin, einen Leuchtstoff mit einem separaten Laser zu beleuchten, wobei üblicherweise optische Elemente oder Freilaufstrecken zwischengeschaltet sind. Durch die separate Anordnung von Leuchtstoff und Laser steigt eine Bauteilgröße an und es sind in der Regel zusätzliche optische Elemente erforderlich.
Bei der hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle wird ein Laser verwendet, der bei hohen Stromdichten effizient betreibbar ist. Dabei erfolgt eine optische Ankopplung des Leuchtstoffs nicht über eine Facette, insbesondere einen Resonatorspiegel, sondern die Ankopplung erfolgt längs des Resonators. Somit ist der Leuchtstoff effizient über eine vergleichsweise große Strecke hinweg mit der Laserstrahlung bei relativ moderaten Lichtleistungen anregbar. Die optische Ankopplung des Leuchtstoffs an den Resonator erfolgt beispielsweise durch relativ dünne Mantelschichten, durch Aufrauungen und/oder durch Oberflächenstrukturierungen des Resonators und/oder eines den Resonator bildenden Materials. Ebenso können zu einer Ankopplung photonische Kristalle oder optische Gitter herangezogen werden. Mit der hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle sind damit auch bei hohen Leistungsdichten kompakte Bauformen mit geringem Platzbedarf realisierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Resonatorspiegel für die Laserstrahlung undurchlässig oder nahezu undurchlässig. Dies gilt insbesondere für gerade verlaufende Längsachsen und für senkrecht zur Längsachse ausgerichtete Resonatorspiegel. Gleiches gilt bevorzugt für abgewinkelt verlaufende Längsachsen mit mehreren geraden Abschnitten, wobei die Abschnitte je durch zwei Resonatorspiegel begrenzt sind. Beispielsweise tritt bei einer solchen Längsachse über die Resonatorspiegel im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Halbleiterlichtquelle höchstens 20 % oder 10 % oder 5 % oder 2 % oder 1 % oder 0,1 % der Laserstrahlung aus dem Resonator aus. Das heißt dann, der weit überwiegende Anteil der Laserstrahlung wird quer zur Längsachse in den Leuchtstoff eingestrahlt und nicht über die Resonatorspiegel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verlässt im Betrieb neben der Sekundärstrahlung auch ein Teil der Laserstrahlung die Halbleiterlichtquelle, sodass mischfarbiges Licht emittiert wird. Bei dem mischfarbigen Licht handelt es sich beispielsweise um weißes Licht, das etwa aus gelber Sekundärstrahlung und blauer Laserstrahlung oder aus roter und grüner Sekundärstrahlung und blauer Laserstrahlung zusammengesetzt sein kann und das besonders bevorzugt inkohärente Strahlung ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterlaser längs der Längsachse eine Erhebung auf. Durch die Erhebung ist ein Stegwellenleiter aus einem Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers gebildet. Über den Stegwellenleiter ist der Resonator definiert. Entlang des Stegwellenleiters und somit entlang der Längsachse erfolgt eine Führung der Laserstrahlung. Solche Stegwellenleiter werden auch als ridge waveguide bezeichnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verlässt nur die Sekundärstrahlung und nicht die Laserstrahlung die Halbleiterlichtquelle. Die Laserstrahlung wird insbesondere vollständig durch den Leuchtstoff in die Sekundärstrahlung umgewandelt. Es ist möglich, dass Filterelemente vorhanden sind, die einen unter Umständen vorhandenen kleinen verbleibenden Anteil der Laserstrahlung herausfiltern und am Verlassen der Halbleiterlichtquelle hindern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich der zumindest eine Leuchtstoff teilweise oder vollständig neben dem Stegwellenleiter, in Richtung senkrecht zu einer Wachstumsrichtung des Halbleiterkörpers und in Richtung quer zur Längsachse. Mit anderen Worten befinden sich der Leuchtstoff und der Stegwellenleiter in derselben Ebene senkrecht zur Wachstumsrichtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verläuft der Stegwellenleiter zumindest stellenweise zwischen zwei aufeinanderfolgenden Resonatorspiegeln gekrümmt. Dies gilt insbesondere in Draufsicht parallel zur Wachstumsrichtung gesehen. Durch diese Krümmung des Resonators ist eine Güte des Resonators herabsetzbar, so dass eine Kopplung der Laserstrahlung an den Leuchtstoff erhöht ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Stegwellenleiter und/oder der Resonator zumindest bereichsweise entlang der Längsachse eine variierende Breite auf. Die Breite ändert sich beispielsweise um mindestens 1 % oder 5 % oder 10 % und/oder um höchstens 30 % oder 25 % oder 20 %, bezogen auf eine mittlere Breite des Stegwellenleiters. Durch diese variierende Breite ist eine Güte des Resonators herabsetzbar. Somit wird eine Auskopplung der Laserstrahlung in den Leuchtstoff durch die variierende Breite erhöht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Laser dazu eingerichtet, gewinngeführt betrieben zu werden. Solche Laser werden auch als Breitstreifenlaser bezeichnet. Dies heißt, dass der Halbleiterkörper im Bereich des Resonators eine gleichbleibende Dicke und keinen Stegwellenleiter aufweist. Der Resonator ist in diesem Fall bevorzugt nicht durch eine Strukturierung des Halbleiterkörpers, sondern durch eine Struktur eines elektrischen Kontakts definiert. Beispielsweise erfolgt dann lediglich entlang der Längsrichtung eine Bestromung der aktiven Zone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterkörper an einer oder an zwei Hauptseiten und/oder an Seitenflächen eine Aufrauung auf. Die Hauptseiten sind insbesondere senkrecht zur Wachstumsrichtung orientiert. Bei den Seitenflächen kann es sich um Flanken des Stegwellenleiters, die quer zu den Hauptseiten verlaufen, handeln. Die Aufrauung ist zu einer Streuung und/oder Umlenkung der in dem Resonator geführten Laserstrahlung eingerichtet. Die Aufrauung reicht bevorzugt derart nah an den Resonator heran, sodass an der Aufrauung eine signifikante Intensität der Laserstrahlung vorliegt. Eine mittlere Tiefe oder Rauheit der Aufrauung liegt bevorzugt bei mindestens 25 nm oder 50 nm oder λ/4n oder λ/n. Hierbei steht λ für eine Scheitelwellenlänge der Laserstrahlung und n für einen mittleren Brechungsindex eines Materials des Halbleiterkörpers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich der Leuchtstoff teilweise oder vollständig an derselben Seite des Halbleiterkörpers wie die Aufrauung. Alternativ ist es möglich, dass sich der Leuchtstoff teilweise oder vollständig an einer der Aufrauung gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers befindet. Es ist möglich, dass der Leuchtstoff zumindest teilweise in die Aufrauung eingebracht ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform steht der Leuchtstoff in direktem Kontakt zu dem Halbleiterkörper. Das heißt, der Leuchtstoff und der Halbleiterkörper berühren sich. In diesem Fall ist es möglich, dass der Leuchtstoff aus einem oder mehreren Halbleitermaterialien gebildet ist. Insbesondere kann der Leuchtstoff etwa epitaktisch auf dem Halbleiterkörper abgeschieden sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform berührt der Leuchtstoff den Halbleiterkörper nicht. Das heißt, der Leuchtstoff ist beabstandet von dem Halbleiterkörper angebracht. Dabei ist ein Abstand zwischen dem Leuchtstoff und dem Halbleiterkörper bevorzugt klein. Dies kann bedeuten, dass ein minimaler Abstand zwischen dem Leuchtstoff und dem Halbleiterkörper höchstens 10 % oder 5 % oder 1 % einer Länge des Resonators entlang der Längsachse beträgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt der minimale Abstand zwischen dem Leuchtstoff und dem Halbleiterkörper bei höchstens 2 µm oder 1 µm oder 0,5 µm oder 0,2 µm. Alternativ oder zusätzlich beträgt der mittlere Abstand mindestens 20 nm oder 50 nm oder 0,1 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen dem Leuchtstoff und dem Halbleiterkörper stellenweise oder ganzflächig eine für die Laserstrahlung durchlässige, elektrisch isolierende Passivierungsschicht. Die Passivierungsschicht ist beispielsweise aus einem Nitrid oder Oxid wie Siliziumdioxid hergestellt. Es ist möglich, dass sich nur die Passivierungsschicht zwischen dem Leuchtstoff und dem Halbleiterkörper befindet oder dass weitere, zusätzliche Schichten vorhanden sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen dem Leuchtstoff und dem Halbleiterkörper stellenweise eine für die Laserstrahlung durchlässige, elektrisch leitende Kontaktschicht. Die Kontaktschicht ist zur Bestromung des Halbleiterkörpers eingerichtet. Insbesondere ist die Kontaktschicht aus einem transparenten leitfähigen Oxid, kurz TCO, wie ITO hergestellt. Es ist möglich, dass sich nur die Kontaktschicht zwischen dem Leuchtstoff und dem Halbleiterkörper befindet oder dass weitere Schichten zwischen dem Leuchtstoff und dem Halbleiterkörper vorhanden sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff teilweise oder vollständig in dem Halbleiterkörper eingebettet. Eingebettet kann bedeuten, dass sich im Querschnitt gesehen der Halbleiterkörper an mindestens drei Seiten des eingebetteten Leuchtstoffs befindet. Insbesondere ist der Leuchtstoff in eine Nut oder Kehle an dem Halbleiterkörper eingebracht. Die Nut oder Kehle kann im Querschnitt gesehen V-förmig, rechteckig oder U-förmig oder durch Kombinationen daraus gestaltet sein. Dabei kann der Leuchtstoff den Halbleiterkörper überragen, entlang der Wachstumsrichtung, oder auch umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Laser mehrere der Resonatoren. Dabei ist bevorzugt ein überwiegender Anteil der Resonatoren oder es sind alle Resonatoren dazu eingerichtet, die Laserstrahlung zu erzeugen. Dabei können die einzelnen Resonatoren für Laserstrahlung verschiedener Wellenlängen gestaltet sein oder alle Laserstrahlung derselben Wellenlänge erzeugen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein überwiegender Anteil der Resonatoren oder sind alle Resonatoren dazu eingerichtet, die jeweilige Laserstrahlung in den Leuchtstoff einzustrahlen. Mit anderen Worten kann entlang der Längsachsen von jedem der Resonatoren eine Ankopplung der Laserstrahlung an den Leuchtstoff gegeben sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich der Leuchtstoff teilweise oder vollständig zwischen zwei benachbarten Resonatoren. Dies kann in Draufsicht oder auch im Querschnitt gelten. Sind die Resonatoren durch Stegwellenleiter realisiert, so ist es möglich, dass der Leuchtstoff teilweise oder vollständig zwischen den Resonatoren und somit zwischen den Stegwellenleitern angebracht ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verläuft der Resonator in Draufsicht gesehen gekrümmt und/oder geknickt. Der Resonator kann mäanderförmig oder schneckenförmig oder rund verlaufen. Dabei können mehrere Resonatoren beispielsweise konzentrisch umeinander herum angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich der Leuchtstoff längs des gesamten Resonators, bevorzugt an beiden Seiten des Resonators, insbesondere in Draufsicht gesehen. Damit kann die Laserstrahlung beidseitig längs des gesamten Resonators in den Leuchtstoff eingestrahlt werden. Somit liegt eine großflächige optische Kopplung zwischen dem Resonator und dem Leuchtstoff vor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mehrere verschiedenfarbig emittierende Leuchtstoffe vorhanden, wobei die Leuchtstoffe insbesondere durch Quantentopfstrukturen gebildet sind. Beispielsweise ist ein Leuchtstoff zur Erzeugung von rotem Licht, ein Leuchtstoff zur Erzeugung von blauem Licht und ein Leuchtstoff zur Erzeugung von grünem Licht vorhanden. Es ist möglich, dass ein dem jeweiligen Leuchtstoff zugeordneter Resonator elektrisch unabhängig von den weiteren Resonatoren betreibbar ist. Somit ist eine Farbe des von der Halbleiterlichtquelle abgestrahlten Lichts, das zusammengesetzt ist aus mehreren verschiedenen Sekundärstrahlungen von den verschiedenen Leuchtstoffen, im Betrieb variabel einstellbar. Insbesondere bei Verwendung von Quantentopfstrukturen für den Leuchtstoff lassen sich schmalbandige Emissionen, also spektral schmalbandige Sekundärstrahlungen, realisieren. Hierdurch ist ein Einsatz in Displays mit einer guten Farbwiedergabe ermöglicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstreckt sich der Leuchtstoff nur zum Teil entlang der Längsachse und/oder des Resonators. Es ist möglich, dass nur in Gebieten, in denen der Leuchtstoff vorhanden ist, die Laserstrahlung quer zur Längsachse aus dem Resonator austritt.
Die hier beschriebene Halbleiterlichtquelle ist beispielsweise in der Allgemeinbeleuchtung als Ersatz für herkömmliche LEDs, die mit einem Leuchtstoff versehen sind, verwendbar. Ebenso können hier beschriebene Halbleiterlichtquellen in Scheinwerfern, etwa im Theaterbereich oder im Kraftfahrzeugbereich, eingesetzt werden, da die Halbleiterlichtquelle eine vergleichsweise geringe Emissionsfläche bei einer hohen Intensität aufweist, was eine Handhabung der emittierten Sekundärstrahlung durch nachfolgende Optiken erleichtert. Ebenso können die hier beschriebenen Halbleiterlichtquellen als Hintergrundbeleuchtung für Displays verwendet werden oder auch als individuelle, verschiedenfarbig einstellbar emittierende Bildpunkte etwa in großformatigen Anzeigetafeln.
Nachfolgend wird eine hier beschriebene Halbleiterlichtquelle 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 eine perspektivische Darstellung einer Abwandlung einer Lichtquelle,
2 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer hier beschriebenen Halbleiterlichtquelle,
3 bis 22 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlichtquellen, und
23 bis 43 schematische Draufsichten auf Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Halbleiterlichtquellen.
In 1 ist eine Abwandlung einer Lichtquelle dargestellt. Die Lichtquelle umfasst einen Laser 2 mit einem Halbleiterkörper 21. In einer aktiven Zone 22 wird eine Laserstrahlung L erzeugt. An einem Stegwellenleiter 26, der aus dem Halbleiterkörper 21 heraus geformt ist, befindet sich eine elektrische Kontaktschicht 6 zur Einspeisung von Strom in den Stegwellenleiter 26. Neben dem Stegwellenleiter 26 und an Seitenflächen des Stegwellenleiters 26 befindet sich eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht 4.
An einer Facette des Lasers 2 befindet sich ein Resonatorspiegel 25, über den die Laserstrahlung L bestimmungsgemäß aus dem Laser 2 ausgekoppelt wird. An einer der Facetten, die entlang einer Längsachse 24 den Resonator des Lasers 2 begrenzen, befindet sich somit ein hochreflektierender Resonatorspiegel 25, an dem keine Auskopplung erfolgt, und an der gegenüberliegenden Facette befindet sich der in 1 dargestellte Auskoppelspiegel. Gemäß 1 erfolgt also eine Emission von Strahlung an einer der Facetten in einem vergleichsweise kleinen Flächenbereich. Weiterhin wird die Laserstrahlung L direkt emittiert.
Beim Ausführungsbeispiel der Halbleiterlichtquelle 1, wie in 2 gezeigt, sind dagegen beide Resonatorspiegel 25, die den Resonator 23 entlang der Längsachse 24 begrenzen, hochreflektierend für die Laserstrahlung gestaltet. Somit erfolgt an den Resonatorspiegeln 25 keine Auskoppelung oder Emission von Strahlung.
Dafür befindet sich in einer Querrichtung x, senkrecht zur Längsachse 24 und senkrecht zu einer Wachstumsrichtung G der Halbleiterschichtenfolge, neben dem Resonator 23 wenigstens ein Leuchtstoff 3. Der Leuchtstoff 3 befindet sich derart nahe an dem Resonator 23, sodass die im Resonator 23 geführte Laserstrahlung optisch an den Leuchtstoff 3 angebunden ist und in eine Sekundärstrahlung S mit einer größeren Wellenlänge umgewandelt wird. Damit erfolgt eine relativ großflächige Emission der Sekundärstrahlung S über die gesamte Längsachse 24 des Resonators 23 hinweg. Zudem handelt es sich bei der Sekundärstrahlung S um eine inkohärente Strahlung, für die bevorzugt keine Laserschutzbestimmungen einzuhalten sind. Die im Resonator 23 geführte und erzeugte Laserstrahlung wird durch den Leuchtstoff 3 also bevorzugt vollständig in die Sekundärstrahlung S konvertiert.
In der Darstellung der 3 befindet sich die aktive Zone 22 entlang der Wachstumsrichtung G unterhalb des Stegwellenleiters 26. Der Leuchtstoff 3 schließt entlang der Wachstumsrichtung G bündig mit dem Stegwellenleiter 26 ab. Die Kontaktschicht 5, 6, die lichtdurchlässig oder auch lichtundurchlässig sein kann, schließt in Querrichtung x bündig mit dem Stegwellenleiter 26 oder bündig mit der Passivierungsschicht 4 ab. Die Passivierungsschicht 4 ist beispielsweise aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von 150 nm gebildet. Die Kontaktschicht 5, 6 überdeckt den Leuchtstoff 3 nicht, in Draufsicht gesehen.
Beim Ausführungsbeispiel der 4 überdeckt die lichtdurchlässige Kontaktschicht 5 den gesamten Leuchtstoff 3 und damit den Stegwellenleiter 26. Die Kontaktschicht 5 ist beispielsweise aus einem transparenten Metalloxid wie ITO gebildet. Dabei ist das ITO bevorzugt zu 90 % bis 95 % aus In₂O₃ und zu 5 % bis 10 % aus SnO₂ gebildet. Alternativ ist die lichtdurchlässige Kontaktschicht 5 aus Zinkoxid hergestellt.
Im Ausführungsbeispiel der 5 ist gezeigt, dass die lichtdurchlässige Kontaktschicht 5 den Leuchtstoff 3 nur teilweise bedeckt. Damit kann der Leuchtstoff 3 stellenweise in direktem Kontakt zu der lichtdurchlässigen Kontaktschicht 5 stehen.
Die Passivierungsschicht 4 ist, wie das auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich ist, aus einem Oxid, Nitrid oder Oxinitrid von Al, Ce, Ga, Hf, In, Mg, Nb, Rh, Sb, Si, Sn, Ta, Ti, Zn und/oder Zr gebildet. Ferner kann die Passivierungsschicht 4 aus einem hochwärmeleitfähigen Material wie SiC, Diamant oder diamantenähnlicher Kohlenstoff, kurz DLC, hergestellt sein. Eine Dicke der Passivierungsschicht 4 liegt je bevorzugt bei mindestens 5 nm oder 10 nm und/oder bei höchstens 5 µm oder 0,2 µm oder 40 nm.
Gemäß 6 befindet sich der bevorzugt elektrisch isolierende Leuchtstoff 3 direkt an dem Halbleiterkörper 21 mit dem Stegwellenleiter 26. Seitenflächen des Stegwellenleiters 26 sind vollständig von dem Leuchtstoff 3 bedeckt.
Im Ausführungsbeispiel der 7 ist zu sehen, dass mehrere Resonatoren 23 und somit mehrere Stegwellenleiter 26 vorhanden sind. In jedem der Stegwellenleiter 26 wird bevorzugt Laserstrahlung erzeugt. Der Leuchtstoff 3 ist je beiderseits der Stegwellenleiter 26 in den Halbleiterkörper 21 eingebracht und schließt näherungsweise bündig mit dem Halbleiterkörper 21 ab, entlang der Wachstumsrichtung G. Die lichtdurchlässige Kontaktschicht 5 bedeckt die Stegwellenleiter 26 sowie den Leuchtstoff 3 vollständig.
Beim Ausführungsbeispiel der 8 befindet sich zwischen benachbarten Stegwellenleitern 26 entlang der Querrichtung x jeweils die Passivierungsschicht 4. Die Seitenflächen der Stegwellenleiter 26 sind, soweit nicht von der Passivierungsschicht 4 bedeckt, mit einer Schicht des Leuchtstoffs 3 überzogen. Dabei reicht der Leuchtstoff 3 nicht durchgehend von einem der Stegwellenleiter 26 zu einem benachbarten Stegwellenleiter 26. Ein Material der lichtdurchlässigen Kontaktschicht 5 erstreckt sich bis hin zu der Passivierungsschicht 4, zumindest in Bereichen, die sich zwischen benachbarten Stegwellenleitern 26 und/oder zwischen benachbarten Gebieten mit dem Leuchtstoff 3 befinden.
In 9 ist dargestellt, dass der Laser 2 als Breitstreifenlaser, auch als gewinngeführter Laser bezeichnet, ausgeführt ist. Die Resonatoren 23 sind in Bereichen gebildet, in denen die lichtdurchlässige Kontaktschicht 5 an den Halbleiterkörper 21 grenzt. Die aktive Zone 22 wird näherungsweise nur in diesen Bereichen bestromt, so dass nur dort die Laserstrahlung erzeugt wird. Dies ist in 9 durch die schraffierten Bereiche an der aktiven Zone 22 angedeutet.
Der Leuchtstoff 3 befindet sich vollständig zwischen dem Halbleiterkörper 21 und der lichtdurchlässigen Kontaktschicht 5. In Bereichen zwischen den Resonatoren 23 berührt der Leuchtstoff 3 den Halbleiterkörper 21.
In 10 ist illustriert, dass sich der Leuchtstoff 3 auch in und/oder auf einem der Stegwellenleiter 26 befinden kann. So ist der Leuchtstoff 3 gemäß 10 in den Stegwellenleiter 26 eingebettet und schließt entlang der Wachstumsrichtung G bündig mit dem Stegwellenleiter 26 ab. Die Passivierungsschicht 4 bedeckt den Halbleiterkörper 21 in Bereichen neben dem Stegwellenleiter 26, wobei die Passivierungsschicht 4 entlang der Wachstumsrichtung G bündig mit dem Stegwellenleiter 26 abschließen kann. Der Stegwellenleiter 26 ist vollständig von der flächigen lichtdurchlässigen Kontaktschicht 5 bedeckt.
Solche in den Stegwellenleiter 26 eingebetteten Leuchtstoffe können auch mit den Anordnungen der Leuchtstoffe gemäß der 3 bis 9 kombiniert werden.
Beim Ausführungsbeispiel der 11 ist der Leuchtstoff 3 in mehreren Bereichen, die jeweils einem Resonator zugeordnet sein können, vollständig in die lichtdurchlässige Kontaktschicht 5 eingebettet. Eine solche Anordnung kann, neben den in 11 dargestellten, gewinngeführten Lasern, auch bei Lasern mit Stegwellenleitern 26 verwendet werden.
Gemäß 12 sind verschiedene Leuchtstoffe 3R, 3G vorhanden. Beispielsweise wird über den Leuchtstoff 3R rotes Licht und über den Leuchtstoff 3G grünes Licht erzeugt. Somit kann von der Halbleiterlichtquelle 1 mischfarbiges, insbesondere weißes Licht erzeugt und abgestrahlt werden, etwa in Kombination mit einem Streumittel für blaue Laserstrahlung.
Beim Ausführungsbeispiel der 13 sind mehrere Resonatoren 23 vorhanden, wobei jedem der Resonatoren 23 einer der Leuchtstoffe 3R, 3G, 3B eindeutig zugeordnet ist. Beispielsweise sind die Leuchtstoffe 3R, 3G, 3B jeweils in den zugehörigen Resonator 23 eingebettet. Die Resonatoren 23 sind bevorzugt einzeln und unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar, so dass eine RGB-Lichtquelle für rotes, grünes und blaues Licht gebildet ist.
Die jeweiligen lichtdurchlässigen Kontaktschichten 5R, 5G, 5B können in Querrichtung x den zugehörigen Resonator 23 jeweils überragen. Entlang der Wachstumsrichtung G kann die Passivierungsschicht 4 bis auf Seitenflächen der Kontaktschichten 5R, 5G, 5B reichen.
In 14 ist illustriert, dass sich an einer der Kontaktschicht 5, 6 gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers 21 ein Spiegel 7 befindet. Der Spiegel 7 kann gleichzeitig als elektrischer Rückseitenkontakt 8 ausgeführt sein, falls der Spiegel 7 aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt ist. Durch einen solchen Spiegel 7 ist eine Auskoppeleffizienz von Strahlung an der Seite des Leuchtstoffs 3 erhöht. Ein solcher Spiegel 7 kann auch in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein.
Beispielsweise besteht oder enthält der Spiegel 7 metallische Schichten etwa aus Ag, Au, Rh, Ir und/oder Al. Alternativ ist der Spiegel 7 als Bragg-Reflektor ausgestaltet und weist dielektrische Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex auf. Ebenso ist es möglich, dass ein Bragg-Reflektor mit einem metallischen Spiegel kombiniert wird.
Gemäß 15 ist einerseits der Spiegel 7 in einer eigenen Schicht und ferner der elektrische Rückseitenkontakt 8 direkt an dem Halbleiterkörper 21 vorhanden. Zwischen dem Spiegel 7 und dem Halbleiterkörper 21 befindet sich in Bereichen neben dem Resonator 23 eine weitere Passivierungsschicht 4b, die der Passivierungsschicht 4a an dem Leuchtstoff 3 gegenüberliegt. Der Rückseitenkontakt 8 kann auf einen Bereich unterhalb des Resonators 23 beschränkt sein.
In 16 ist illustriert, dass der Passivierungsschicht 4 entlang der Wachstumsrichtung G die lichtdurchlässige Kontaktschicht 5 ganzflächig nachfolgt. Über der Kontaktschicht 5 ist der Leuchtstoff 3 aufgebracht. Dabei weist die Kontaktschicht 5 bevorzugt nur eine relativ geringe Dicke auf, beispielsweise höchstens 500 nm oder 300 nm, bevorzugt höchstens 200 nm.
Gemäß 17 befindet sich an der der Kontaktschicht 5 gegenüberliegenden Seite der Rückseitenkontakt 8, der ganzflächig aufgebracht sein kann und der lichtdurchlässig ist. An der lichtdurchlässigen Kontaktschicht 5 befindet sich der erste Leuchtstoff 3a, an der dem Halbleiterkörper 21 abgewandten Seite des Rückseitenkontakts 8 befindet sich der zweite Leuchtstoff 3b. An einer dem Halbleiterkörper 21 abgewandten Seite des zweiten Leuchtstoffs 3b befindet sich optional der Spiegel 7.
In 18 ist gezeigt, dass der Halbleiterkörper 21 mit einer Aufrauung 27 versehen ist. Über die Aufrauung 27 erfolgt eine Streuung der in dem Stegwellenleiter 26 geführten Laserstrahlung hin zu dem Leuchtstoff 3. Hierbei ist die lichtundurchlässige elektrische Kontaktschicht 6 bevorzugt als Spiegel 7 ausgebildet, so dass eine Auskopplung von Licht über ein nicht gezeichnetes Substrat an dem Halbleiterkörper 21 erfolgen kann. Bei einer solchen Anordnung ist eine verbesserte Wärmeabfuhr von Abwärme aus dem Halbleiterkörper 21 heraus realisierbar.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Lichtumlenkung der Laserstrahlung kann die Aufrauung 27 auch zu einer Steigerung einer Auskoppeleffizienz der im Leuchtstoff 3 erzeugten Sekundärstrahlung dienen.
Gemäß 19 dient die reflektierende lichtundurchlässige Kontaktschicht 6 zur Entwärmung des Halbleiterkörpers 21. Der Leuchtstoff 3 befindet sich an einer der Kontaktschicht 6 gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers 21.
Beim Ausführungsbeispiel der 20 befindet sich an einer dem Halbleiterkörper 21 abgewandten Seite der lichtdurchlässigen Kontaktschicht 5 der Leuchtstoff 3. Der Stegwellenleiter 26 befindet sich in der lichtundurchlässigen Kontaktschicht 6, die als Spiegel 7 gestaltet ist.
Zu einer besseren optischen Kopplung des Leuchtstoffs 3 an den Stegwellenleiter 26 kann an dem Leuchtstoff 3, an der Passivierungsschicht 4 und/oder an einer dem Leuchtstoff 3 abgewandten Seite des Halbleiterkörpers 21 jeweils eine Aufrauung 27 erzeugt sein, siehe 21. Über die zumindest eine Aufrauung 27 wird Licht, das in dem Stegwellenleiter 26 geführt wird, gestört und zu dem Leuchtstoff 3 gelenkt. Eine mittlere Tiefe und/oder Rauheit der Aufrauungen 27 liegt dabei bei mindestens λ/n, bevorzugt bei mindestens 0,5 µm und/oder bei höchstens 20 µm oder höchstens 6 µm.
In 22 ist dargestellt, dass die Aufrauung 27 innerhalb des Halbleiterkörpers 21 erzeugt ist, beispielsweise durch bestimmte aufeinanderfolgende Wachstumsbedingungen beim Erzeugen des Halbleiterkörpers 21. Alternativ ist es möglich, dass sich die Aufrauung 27 zwischen dem Halbleiterkörper 21 und einem nicht gezeichneten Substrat, beispielsweise einem Wachstumssubstrat etwa aus Saphir, befindet. Die Aufrauung 27 kann also von einem strukturierten Saphir-Substrat, kurz PSS, herrühren.
Solche Aufrauungen 27, wie in den 18, 21 und 22 illustriert, können auch in allen übrigen Ausführungsbeispielen vorhanden sein.
Die in den 3 bis 22 gezeigten Querschnittsdarstellungen können sich in gleichbleibender, ungeänderter Zusammensetzung und Geometrie entlang der gesamten Längsachse 24 erstrecken, siehe 2. Alternativ ist es möglich, dass entlang der Längsachse 24 verschiedene Anordnungen und/oder Leuchtstoffe 3 vorhanden sind.
In 23 ist eine schematische Draufsicht auf die Halbleiterlichtquelle 1 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass mehrere der Resonatoren 23 vorhanden sind, jeweils als Stegwellenleiter 26 ausgeführt. Die hochreflektierenden Resonatorspiegel 25 sind senkrecht zu den Resonatoren 23 orientiert. Der Leuchtstoff 3 bedeckt den Halbleiterkörper 21, bis auf die Resonatoren 23, bevorzugt vollständig oder im Wesentlichen vollständig.
In 24 ist illustriert, dass der hochreflektierende Resonatorspiegel 25 beispielsweise durch ein Brechen des Halbleiterkörpers 21 und ein anschließendes Verspiegeln, etwa mit einem Bragg-Spiegel, hergestellt ist. Alternativ können solche Endfacetten des Resonators 23 auch mittels Ätzen und optional nachfolgender Verspiegelung hergestellt werden.
In 25 ist gezeigt, dass die Facetten und somit die Resonatorspiegel 25 spitz zueinander zulaufen, insbesondere unter einem Winkel von je 45° zur Längsachse 24. Somit ergibt sich ein Retroreflektor aus den Resonatorspiegeln 25, der unter Ausnutzung von Totalreflexion arbeiten kann. Ferner ist es möglich, dass an einem solchen Retroreflektor zusätzlich ein Spiegel in Form eines Bragg-Reflektors und/oder in Form eines Metallspiegels aufgebracht ist.
Beim Ausführungsbeispiel der 26 ist der Resonator 23 mäanderförmig gestaltet und weist mehrere Biegungen auf. In Knickbereichen des Resonators 23 können jeweils 45°-Facetten und/oder Resonatorspiegel 25 vorhanden sein. Dabei kann der Resonator 23 mehrere sich parallel zueinander erstreckende Bereiche aufweisen. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Resonatorspiegeln 25 verläuft die Längsachse 24 jeweils gerade.
Gemäß 27 verläuft der Resonator 23 insgesamt gerade. Dabei weist der Halbleiterkörper 21 in Draufsicht gesehen ein hohes Aspektverhältnis auf. Beispielsweise liegt ein Quotient aus einer Ausdehnung entlang der Längsachse 24 und aus einer Ausdehnung entlang der Querrichtung x bei mindestens 5 oder 10 oder 20 oder 40. Die Halbleiterlichtquelle 1 hat damit eine langgestreckte Geometrie, im Gegensatz zu üblicherweise näherungsweise quadratisch gestalteten LEDs.
In 28 sind mehrere Ring-Resonatoren vorhanden, mit einer ringförmigen, geschlossenen Längsachse 24. Die Resonatoren 23 sind in Draufsicht gesehen näherungsweise quadratisch oder rechteckig gestaltet und weisen an Eckbereichen bevorzugt je in 45° schräg verlaufende Bereiche zur Lichtumlenkung auf.
Bei den Resonatoren 23, wie in 29 illustriert, handelt es sich um mehrere konzentrisch zueinander verlaufende Kreisring-Resonatoren. Die Resonatorspiegel sind in diesem Fall durch reflektierende Seitenflächen tangential zum Kreisring-Resonator gebildet.
Abweichend von den 28 und 29 kann auch jeweils nur ein geschlossener Ring-Resonator 23 vorhanden sein.
Bei den Anordnungen der 28 und 29 können somit fehleranfällige Resonator-Endfacetten umgangen werden.
Beim Ausführungsbeispiel der 30 ist ein vielseitig verspiegelter Resonator 23 vorhanden, in dem sich Ringmoden ausbilden können. Der ringsum laufende Resonatorspiegel 24 ist von dem Leuchtstoff 3 umgeben.
Der Resonator 23 gemäß 31 ist als Schneckenresonator gestaltet und weist eine Spiralform auf, so dass Krümmungsradien des Resonators 23 nach innen hin abnehmen können und sich der Resonator 23 nach innen hin zusammenzieht.
Die Resonatoren der 23 bis 31 können mit allen Gestaltungen des Leuchtstoffs 3 und des Lasers 2, wie in Verbindung mit den 3 bis 22 illustriert, kombiniert werden. Entsprechendes gilt für die Resonatoren 23 der nachfolgend erläuterten 32 bis 39.
Um eine Auskopplung der Laserstrahlung aus dem Resonator 23 zu erhöhen, können die Seitenflächen der Resonatoren 23, insbesondere der Stegwellenleiter, gezielt strukturiert und/oder aufgeraut werden. In 32 ist illustriert, dass die Aufrauung an den Seitenflächen des Stegwellenleiters und des Resonators 23 unregelmäßig ist.
Gemäß 33 ist eine regelmäßige, sinusförmige Strukturierung vorhanden. Anders als in 33 gezeigt, wonach die Strukturierung an beiden Seitenflächen des Resonators 25 gleichphasig verläuft, kann die Längsachse 24 eine Symmetrieachse für die Strukturierung darstellen. Dabei liegt eine mittlere Breite des Resonators 23 in Querrichtung x beispielsweise bei ungefähr 15 µm und eine Modulation durch die Aufrauung liegt beispielsweise im Bereich von ungefähr 3 µm, entsprechend 20 %. Eine Modulationsperiode entlang der Längsachse 24 der Aufrauung liegt beispielsweise bei mindestens 50 % und/oder bei höchstens 300 % der mittleren Breite des Resonators 23. Alternativ oder zusätzlich liegt die Modulationsperiode bei mindestens 1 µm oder 10 µm und/oder bei höchstens 100 µm oder 500 µm. Dabei ist der Resonator 23 senkrecht oder näherungsweise senkrecht zu den Facetten und Resonatorspiegeln 25 orientiert, wie dies bevorzugt auch in allen anderen Ausführungsbeispielen gilt.
Gemäß 34 weist der Resonator 23 mehrere Knicke auf. Ein Knickwinkel liegt dabei bevorzugt bei höchstens 45° oder 30° oder 15° und/oder bei mindestens 0,5° oder 1° oder 5° oder 10°, bezogen auf die Längsachse 24. Ein Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Knicken liegt bevorzugt bei mindestens 150 % oder 400 % und/oder bei höchstens 1000 % oder 600 % der mittleren Breite des Resonators 23. Die Breite des Resonators 23 kann entlang der Längsachse 24 konstant oder näherungsweise konstant sein. Alternativ oder zusätzlich liegt der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Knicken bei mindestens 1 µm oder 10 µm und/oder bei höchstens 100 µm oder 500 µm.
Gemäß 35 weist der Resonator 23 rechteckförmige Verschmälerungen und Verbreiterungen auf, wobei die Längsachse 24 eine Symmetrielinie sein kann. Die Verschmälerungen betragen ungefähr 20 % der mittleren Breite des Resonators 23. Ein Abstand zwischen benachbarten Verschmälerungen ist bevorzugt kleiner als eine Länge der jeweiligen Verschmälerungen entlang der Längsachse 24. Die mittlere Länge der Verschmälerungen liegt beispielsweise bei mindestens 50 % und/oder bei höchstens 400 % der mittleren Breite des Resonators 23.
Die Resonatorformen, wie in Verbindung mit den 33 oder 35 offenbart, sind besonders bevorzugt.
Im Ausführungsbeispiel der 36 weist der Resonator 23 Verbreiterungen auf, die rautenförmig oder trapezförmig oder parallelogrammförmig gestaltet sind. Dabei ist die Längsachse 24 bevorzugt keine Symmetrieachse für die Verbreiterungen. Hinsichtlich von Dimensionen der Verbreiterungen gilt das zur 33 und zur 35 Beschriebene bevorzugt entsprechend.
Zusätzlich oder alternativ zu den Aufrauungen oder Strukturierungen der 32 bis 36 kann der Resonator 23 gekrümmt verlaufen, um Streuverluste aus dem Resonator 23 heraus zu erhöhen. Bevorzugt sind dabei die Enden der Resonatoren 23 wiederum jeweils senkrecht oder näherungsweise senkrecht zu den Facetten und/oder Resonatorendspiegeln 25 des Halbleiterkörpers 21 orientiert, um eine hohe Reflektivität und einen guten Überlapp zwischen einfallender und reflektierter Welle zu ermöglichen.
Gemäß 37 liegen dabei entlang des Resonators 23 unterschiedliche Krümmungen vor. Insbesondere liegen in einem mittleren Bereich des Resonators 23 entlang der Längsachse 24 kleinere Krümmungsradien vor. Der Resonator 23 kann dabei eine Symmetrieachse parallel zur Querrichtung x aufweisen.
In 38 ist gezeigt, dass eine einheitliche Krümmung K vorliegt. Beispielsweise ist die Krümmung K kreisbogenförmig. Ein Ausmaß der Krümmung K in Richtung parallel zur Querachse x liegt dabei bei bevorzugt mindestens 50 % und/oder bei höchstens 150 % oder 500 % der mittleren Breite des Resonators 23. Alternativ oder zusätzlich kann das Ausmaß der Krümmung K zwischen 1 µm und 50 µm betragen.
Beim Ausführungsbeispiel der 39 ist die Aufrauung der 32 kombiniert mit einem gekrümmten, sinusförmigen Verlauf. Anstelle der Aufrauung der 32 können auch die Strukturierungen der 33 bis 36 Anwendung finden.
Beim Ausführungsbeispiel der 40 befindet sich der Leuchtstoff 3 nur stellenweise entlang der Längsachse 24 an dem Resonator 23. Beispielsweise sind Bereiche nahe der Resonatorspiegel 25 frei von dem Leuchtstoff 3. Abweichend von 40 ist es möglich, dass der Leuchtstoff 3 abschnittsweise entlang der Längsachse 24 vorhanden ist, zum Beispiel analog zu den Verbreiterungen der 35 oder 36. Weiterhin, abweichend von 40, kann der Leuchtstoff 3 auch asymmetrisch, bezogen auf den Resonator 23 als Symmetrieachse, aufgebracht sein.
Wie in 40 gezeigt, tritt nur die Sekundärstrahlung S aus dem Halbleiterlaser 1 aus. Damit wird die Laserstrahlung nur in mit dem Leuchtstoff versehenen Bereichen aus dem Resonator 23 ausgekoppelt.
Demgegenüber wird gemäß 41 auch die Laserstrahlung L abgestrahlt. Mit anderen Worten erfolgt keine Vollkonversion der Laserstrahlung L zu der Sekundärstrahlung S. Dies ist durch eine relativ geringe Dicke und/oder Menge des Leuchtstoffs 3 erreichbar. Dabei wird die austretende Laserstrahlung L gestreut, sodass eine Kohärenzlänge erheblich reduziert wird und austretendes, beispielsweise weißes Mischlicht nicht oder nicht signifikant zur Interferenz fähig ist. Zur Reduzierung der Kohärenzlänge kann optional ein Streumittel 33 vorhanden sein, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen.
Zusätzlich ist es möglich, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, dass der Leuchtstoff 3 und/oder das Streumittel 33 längs der Längsachse 24 mit einer variierenden Dicke aufgebracht sind, beispielsweise mit einer größeren Dicke in Bereichen weg von den Resonatorspiegeln 25.
Beim Ausführungsbeispiel der 42 befindet sich der Leuchtstoff 3 vollständig neben dem Halbleiterkörper 21, in Draufsicht gesehen. Eine optische Ankopplung des Leuchtstoffs 3 an den Resonator 23 erfolgt in diesem Fall zum Beispiel über sogenannte Substratmoden und/oder über Aufrauungen.
Schließlich ist beim Ausführungsbeispiel der 43 nur das Streumittel 33 und kein Leuchtstoff vorhanden. Die Reduzierung der Kohärenzlänge wird somit durch das Streumittel 33 erzielt. Es erfolgt keine oder keine signifikante Änderung der Farbe der Laserstrahlung L durch das Streumittel.
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: Halbleiterlichtquelle
2: Laser
21: Halbleiterkörper
22: aktive Zone
23: Resonator
24: Längsachse
25: Resonatorspiegel
26: Stegwellenleiter
27: Aufrauung
3: Leuchtstoff
33: Streumittel
4: elektrisch isolierende Passivierungsschicht
5: lichtdurchlässige elektrisch leitende Kontaktschicht
6: lichtundurchlässige elektrische Kontaktschicht
7: Spiegel
8: elektrischer Rückseitenkontakt
G: Wachstumsrichtung
K: Krümmung
L: Laserstrahlung
S: Sekundärstrahlung
x: Querrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2549330 A1 [0005]

Claims

Halbleiterlichtquelle (1) mit einem Laser (2) und mindestens einem Leuchtstoff (3), wobei – der Laser (2) einen Halbleiterkörper (21) mit mindestens einer aktiven Zone (22) zur Erzeugung von Laserstrahlung (L) umfasst, – in dem Laser (2) wenigstens ein Resonator (23) mit Resonatorspiegeln (25) und mit einer Längsachse (24) ausgebildet ist, sodass die Laserstrahlung (L) im Betrieb längs der Längsachse (24) geführt und verstärkt wird und sich die aktive Zone (22) wenigstens zum Teil in dem Resonator (23) befindet, und – der Leuchtstoff (3) spaltfrei optisch an den Resonator (23) gekoppelt ist, sodass in Richtung quer zur Längsachse (24) zumindest ein Teil der Laserstrahlung (L) in den Leuchtstoff (3) gelangt und in eine Sekundärstrahlung (S) mit einer größeren Wellenlänge umgewandelt wird.
Halbleiterlichtquelle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der der Halbleiterkörper (21) längs der Längsachse (24) eine Erhebung aufweist, sodass ein Stegwellenleiter (26) aus einem Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers (21) gebildet ist, wobei nur die Sekundärstrahlung (S) und nicht die Laserstrahlung (L) die Halbleiterlichtquelle (1) verlässt, und wobei die Resonatorspiegel (25) senkrecht zur Längsachse (24) orientiert und dazu eingerichtet sind, höchstens 20 % der Laserstrahlung (L) aus dem Resonator (23) auszukoppeln.
Halbleiterlichtquelle (1) nach Anspruch 1, bei der der Halbleiterkörper (21) längs der Längsachse (24) eine Erhebung aufweist, sodass ein Stegwellenleiter (26) aus einem Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers (21) gebildet ist, wobei neben der Sekundärstrahlung (S) auch ein Teil der Laserstrahlung (L) die Halbleiterlichtquelle (1) verlässt, sodass im Betrieb mischfarbiges Licht emittiert wird, wobei eine Kohärenzlänge des mischfarbigen Lichts höchstens 10 µm beträgt.
Halbleiterlichtquelle (1) nach Anspruch 2 oder 3, bei der sich der Leuchtstoff (3) wenigstens zum Teil neben dem Stegwellenleiter (26) befindet, in Richtung senkrecht zu einer Wachstumsrichtung (G) des Halbleiterkörpers (21) und in Richtung quer zur Längsachse (24).
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der der Stegwellenleiter (26) zumindest stellenweise zwischen zwei aufeinanderfolgenden Resonatorspiegeln (25) in Draufsicht gesehen gekrümmt verläuft.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der der Stegwellenleiter (26) zumindest bereichsweise eine variierende Breite aufweist.
Halbleiterlichtquelle (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der die Breite um mindestens 1 % und um höchstens 30 % variiert, bezogen auf eine mittlere Breite des Stegwellenleiters (26).
Halbleiterlichtquelle (1) nach Anspruch 1, bei der der Laser (2) dazu eingerichtet ist, gewinngeführt betrieben zu werden, sodass der Halbleiterkörper (21) im Bereich des Resonators (23) eine gleichbleibende Dicke aufweist.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Halbleiterkörper (21) an mindestens einer Hauptseite mit einer Aufrauung (27) versehen ist, wobei sich der Leuchtstoff (3) mindestens zum Teil an derselben Seite des Halbleiterkörpers (21) wie die Aufrauung (27) und/oder an einer der Aufrauung (27) gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers (21) befindet.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Leuchtstoff (3) in direktem Kontakt zu dem Halbleiterkörper (21) steht und/oder aus einem Halbleitermaterial gebildet ist.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der der Leuchtstoff (3) den Halbleiterkörper (3) nicht berührt, wobei ein minimaler Abstand zwischen dem Leuchtstoff (3) und dem Halbleiterkörper (21) bei höchstens 0,5 µm liegt.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen dem Leuchtstoff (3) und dem Halbleiterkörper (21) stellenweise nur eine für die Laserstrahlung (L) durchlässige, elektrisch isolierende Passivierungsschicht (4) liegt.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen dem Leuchtstoff (3) und dem Halbleiterkörper (21) stellenweise nur eine für die Laserstrahlung (L) durchlässige, elektrisch leitende Kontaktschicht (5) zur Bestromung des Halbleiterkörpers (21) liegt.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens ein Teil des Leuchtstoffs (3) in den Halbleiterkörper (21) eingebettet ist, sodass sich der Halbleiterkörper (21) an mindestens drei Seiten des eingebetteten Leuchtstoffs (3) befindet.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Laser (2) mehrere der Resonatoren (23) aufweist und jeder der Resonatoren (23) dazu eingerichtet ist, die Laserstrahlung (L) in den Leuchtstoff (3) einzustrahlen, wobei sich mindestens ein Teil des Leuchtstoffs (3) zwischen zwei benachbarten Resonatoren (23) befindet.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Resonator (23) in Draufsicht gesehen gekrümmt und/oder geknickt verläuft, wobei sich der Leuchtstoff (3) längs des gesamten Resonators (3) erstreckt und die Laserstrahlung (L) längs des gesamten Resonators (3) in den Leuchtstoff (3) eingestrahlt wird.
Halbleiterlichtquelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich der Leuchtstoff (3) nur zum Teil längs der Längsachse (24) erstreckt.
Halbleiterlichtquelle (1) mit einem Laser (2) und mindestens einem Streumittel (33), wobei – der Laser (2) einen Halbleiterkörper (21) mit mindestens einer aktiven Zone (22) zur Erzeugung von Laserstrahlung (L) umfasst, – in dem Laser (2) wenigstens ein Resonator (23) mit Resonatorspiegeln (25) und mit einer Längsachse (24) ausgebildet ist, sodass die Laserstrahlung (L) im Betrieb längs der Längsachse (24) geführt und verstärkt wird und sich die aktive Zone (22) wenigstens zum Teil in dem Resonator (23) befindet, und – das Streumittel (33) spaltfrei optisch an den Resonator (23) gekoppelt ist, sodass in Richtung quer zur Längsachse (24) die Laserstrahlung (L) in das Streumittel (33) gelangt und die Laserstrahlung (L) streut, sodass eine Kohärenzlänge der abgestrahlten Laserstrahlung (L) durch das Streumittel (33) auf höchstens 10 µm reduziert ist.