DE102017108322A1

DE102017108322A1 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE102017108322A1
Application number: DE102017108322.7A
Authority: DE
Inventors: Roland Heinrich Enzmann; Andreas Wojcik; Hubert Halbritter; Martin Rudolf Behringer; Josip Maric; Mariel Grace Jama; Berthold Hahn; Christian Müller; Isabel Otto
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-04-19
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2018-10-25
Also published as: WO2018192857A1; DE112018002080A5; US20200136348A1; CN110574246A; CN110574246B; DE112018002080B4

Abstract

In einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser (1) umfasst eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer aktiven Zone (20) zur Erzeugung von Laserstrahlung (L). An einander gegenüberliegenden Hauptseiten der Halbleiterschichtenfolge (2) befinden sich zwei elektrische Anschlussbereiche (21, 22). Ein Kontaktträger (3) umfasst elektrische Kontaktflächen (31, 32) zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge (2). Eine elektrische Verbindungsleitung (23) reicht von der dem Kontaktträger (3) abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge (2) hin zum Kontaktträger (3). Die Verbindungsleitung (23) befindet sich an oder in der Halbleiterschichtenfolge (2).

Description

Es wird ein Halbleiterlaser angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Halbleiterlaser anzugeben, der effizient kontaktierbar und der zur Erzeugung von kurzen Laserimpulsen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen Halbleiterlaser mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Halbleiterlaser um einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser. Das heißt, eine Emissionsrichtung und/oder eine Resonatorlängsachse des Halbleiterlasers ist parallel oder näherungsweise parallel zu einer Wachstumsrichtung einer Halbleiterschichtenfolge orientiert. Alternativ kann es sich bei dem Halbleiterlaser um einen kantenemittierenden Laser handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser eine Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge beinhaltet mindestens eine aktive Zone zur Erzeugung von Laserstrahlung. Die aktive Zone arbeitet mittels Elektrolumineszenz.
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 oder wie Al_nGa_mIn_1-n-mAs_kP_1-k, wobei jeweils 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 < n ≤ 0,8, 0,4 ≤ m < 1 und n + m ≤ 0,95 sowie 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.
Bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge auf dem Materialsystem AlInGaAs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge an zwei einander gegenüberliegenden Hauptseiten elektrische Anschlussbereiche auf. Bei einem der Anschlussbereiche handelt es sich etwa um einen p-Kontakt und bei dem zweiten Anschlussbereich um einen n-Kontakt. Über die elektrischen Anschlussbereiche ist die Halbleiterschichtenfolge bestrombar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser einen Kontaktträger. Der Kontaktträger verfügt über elektrische Kontaktflächen zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge. Zum Beispiel handelt es sich bei dem Kontaktträger um diejenige Komponente des Halbleiterlasers, die diesen mechanisch trägt und stützt.
Das heißt, ohne den Kontaktträger wäre der Halbleiterlaser mechanisch nicht stabil.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterlaser mindestens eine elektrische Verbindungsleitung auf. Die eine oder die mehreren Verbindungsleitungen reichen von einer dem Kontaktträger abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge hin zu dem Kontaktträger. Bei der Verbindungsleitung handelt es sich beispielsweise um eine elektrische Leiterbahn oder eine elektrische Flachbandkontaktierung. Die Verbindungsleitung kann eine elektrische Durchkontaktierung aufweisen. Insbesondere ist über die elektrische Verbindungsleitung der zweite elektrische Anschlussbereich mit einer der elektrischen Kontaktflächen des Kontaktträgers elektrisch verbunden, insbesondere unmittelbar elektrisch verbunden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die Verbindungsleitung an oder in der Halbleiterschichtenfolge. Das heißt, die Verbindungsleitung ist bevorzugt mechanisch an die Halbleiterschichtenfolge gekoppelt und insbesondere starr mit der Halbleiterschichtenfolge verbunden. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Verbindungsleitung dann nicht um einen Bonddraht.
In mindestens einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser bevorzugt ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser und umfasst eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone zur Erzeugung von Laserstrahlung. An einander gegenüberliegenden Hauptseiten der Halbleiterschichtenfolge befinden sich zwei elektrische Anschlussbereiche. Ein Kontaktträger umfasst elektrische Kontaktflächen zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge. Eine elektrische Verbindungsleitung reicht von der dem Kontaktträger abgewandten Hauptseite der Halbleiterschichtenfolge hin zum Kontaktträger, insbesondere bis hin zu einer der elektrischen Kontaktflächen. Die Verbindungsleitung befindet sich an oder in der Halbleiterschichtenfolge.
Mit anderen Worten kann es sich bei dem hier beschriebenen Halbleiterlaser um einen oberflächenemittierenden Laser, auch als Vertical Cavity Surface Emitting Laser oder kurz VCSEL, handeln. Der Halbleiterlaser ist als Flip-Chip gestaltet und verfügt bevorzugt über ein Array von Einzelemittern. Speziell die Verwendung von Dünnfilmtechnologien, also Techniken, bei denen ein Aufwachssubstrat von der Halbleiterschichtenfolge entfernt wird, erlaubt eine Strukturierung eines Halbleiterwafers von beiden Hauptseiten her. So können auf einer Hauptseite insbesondere galvanisch mehrere bevorzugt dicke Podeste, etwa Nickelpodeste, aufgebracht werden, um auf diese Weise p-Kontakte und/oder n-Kontakte auf einer einzigen Hauptseite zu realisieren. Alternativ können Träger mit Durchkontaktierungen verwendet werden, insbesondere Träger auf Siliziumbasis, mit sogenannten Through-Silicon Vias.
Zusätzlich zu den Vorteilen der Verwendung von Dünnfilmtechnologien, insbesondere eine verbesserte thermischen Ankopplung, bietet ein solcher Halbleiterlaser in Flip-Chip-Bauweise weitere Vorteile. So kann auf Bonddrähte verzichtet werden, wodurch geringere Herstellungskosten erzielbar sind. Durch den Verzicht auf Bonddrähte können niedrigere Induktivitäten an den Anschlussleitungen und damit kleinere Schaltzeiten realisiert werden. Außerdem bestehen mehr Freiheiten bei der Gestaltung des Packages des Halbleiterlasers. Unter anderem können geringere Bauteilhöhen realisiert werden, insbesondere, da die Bonddrähte wegfallen. Weiterhin ist eine Direktmontage auf einem Treiber wie einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, kurz ASIC, möglich. Zudem kann eine Optik direkt an der Halbleiterschichtenfolge oder nahe an der Halbleiterschichtenfolge angebracht werden, ohne störende Bonddrähte.
Speziell bei laufzeitabhängigen Anwendungen, sogenannten TOF-Anwendungen oder Time Of Flight-Anwendungen, werden immer kürzere Lichtimpulse auch in Sub-Nanosekunden-Bereich benötigt. In konventionellen diskreten Aufbauten mit Bonddrahtkontaktierung sind solche Schaltzeiten betriebsbedingt aufgrund von relativ hohen Induktivitäten, etwa korreliert mit Leiterbahnen auf einer gedruckten Leiterplatte oder mit Bonddrähten, nicht oder nur schwer möglich.
Dadurch, dass die Halbleiterschichtenfolge mit der aktiven Zone direkt auf einen Funktionsträger aufgebracht wird, sind Induktivtäten der elektrischen Zuleitungen reduzierbar. Insbesondere kann der Funktionsträger eine schnell schaltbare Stromquelle oder schnell schaltbare Schalter wie Feldeffekttransistoren oder auch weitere Schaltungskomponenten wie Kondensatoren zur Energiespeicherung oder eine komplette Treiberschaltung integriert aufweisen. Somit ist es durch die Verwendung von Dünnfilmtechnologien ermöglicht, einen oberflächenmontierbaren Laser oder Teile davon auf einen Funktionsträger umzubonden. Als Material für den Funktionsträger ist besonders Silizium geeignet. In den Funktionsträger können diverse Funktionen integriert werden, beispielsweise Schalter, Stromquellen, integrierte Schaltkreise, Speichereinheiten und/oder Sensoren wie Temperatursensoren.
Speziell aufgrund der möglichen Vollintegration von Schalteinheiten sind geringe Induktivtäten erzielbar, sodass sich kurze Laserimpulse bei niedriger Versorgungsspannung erreichen lassen. Damit können ein geringerer Leistungsverbrauch und geringere thermische Belastungen einhergehen. So sind eine Platzersparnis und eine Kostenersparnis realisierbar, insbesondere in mobilen Geräten, da Teile einer Treiberstufe bereits integriert sein können und auf die Halbleiterschichtenfolge angepasst werden können. Es sind auch schnellere Designzyklen bei einem Kunden ermöglicht, da keine komplexe Neuentwicklung einer Treiberstufe erforderlich ist.
Außerdem bietet der hier beschriebene Halbleiterlaser die Möglichkeit, die Induktivität weiter durch eine Parallelisierung der Treiberstruktur zu minimieren und schnellere Anstiegszeiten der Laserimpulse zu erreichen. Dies ist insbesondere durch die Verwendung von mehreren parallelen Schaltelementen und/oder mehreren parallelen Zuleitungen möglich, da in jedem Strompfad dann nur ein Bruchteil eines Gesamtstroms fließt. Die schnelleren Schaltzeiten ergeben sich insbesondere aus dem nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Stromstärke und der Induktivität. Damit sind stärkere Stromimpulse und kürzere Laserimpulse bei einer höheren Effizienz realisierbar. Außerdem weist das Gesamtsystem eine Redundanz auf und/oder eine Steuerung des maximalen Stroms ist vereinfacht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser oberflächenmontierbar. Das bedeutet, der Halbleiterlaser ist ein SMT-Bauteil.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich die Kontaktflächen des Kontaktträgers in einer gemeinsamen Ebene. Diese Ebene ist insbesondere parallel zur aktiven Zone und/oder zur Halbleiterschichtenfolge ausgerichtet. Die Kontaktflächen können vollständig oder teilweise von der Halbleiterschichtenfolge überdeckt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind zwei Resonatorspiegel vorhanden. Die Resonatorspiegel können Bragg-Spiegel sein oder kombinierte Spiegel, die aus Schichten unterschiedlicher Brechungsindices und aus abschließenden Metallschichten zusammengesetzt sind. Es ist möglich, dass zumindest einer der Resonatorspiegel epitaktisch gewachsen ist und sich direkt an der Halbleiterschichtenfolge befindet. Zumindest einer der Resonatorspiegel kann zu einer Stromeinprägung in der Halbleiterschichtenfolge verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Resonatorspiegel und/oder die aktive Zone parallel zum Kontaktträger und/oder zur Ebene mit den Kontaktflächen orientiert. Insbesondere ist die Resonatorlängsachse, die beispielsweise senkrecht auf den Resonatorspiegeln steht, senkrecht zur aktiven Zone orientiert. Damit ist es möglich, dass im Betrieb die erzeugte Laserstrahlung in Richtung senkrecht zum Kontaktträger emittiert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein mittlerer Abstand der Verbindungsleitung zur Halbleiterschichtenfolge bei höchstens 5 µm oder 3 µm oder 1 µm. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser mittlere Abstand bei mindestens 0,1 µm oder 0,2 µm oder 0,3 µm. Insbesondere liegt zwischen der Verbindungsleitung und der Halbleiterschichtenfolge lediglich eine Passivierungsschicht zur elektrischen Isolation und Passivierung der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser frei von einem Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge. Das heißt, im Verlauf der Herstellung des Halbleiterlasers wird das Aufwachssubstrat von der Halbleiterschichtenfolge entfernt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Kontaktträger die Kontaktflächen und einen Vergusskörper. Es ist möglich, dass der Kontaktträger aus den Kontaktflächen und dem Vergusskörper besteht. Insbesondere ist der Vergusskörper über ein Spritzgießen oder ein Druckgießen hergestellt, auch als Molden bezeichnet. Damit ist ein Material des Vergusskörpers bevorzugt ein thermoplastischer Kunststoff. Die Kontaktflächen können aus einer oder aus mehreren Metallschichten gebildet sein oder auch ein transparentes leitfähiges Oxid, kurz TCO, umfassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge in Draufsicht gesehen funktional in eine Vielzahl einzelner Laseremitter unterteilt. Somit liegt ein Array der Laseremitter vor, insbesondere in Draufsicht gesehen eine regelmäßige, zweidimensionale Anordnung der Laseremitter. Die einzelnen Laseremitter können baugleich sein und beispielsweise bestimmungsgemäß Strahlung derselben spektralen Zusammensetzung emittieren. Alternativ ist es möglich, dass verschiedene Laseremitter etwa zur Erzeugung von Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen vorhanden sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Laseremitter elektrisch parallel geschaltet. Das heißt, alle Laseremitter werden elektrisch gleichzeitig angesteuert. Alternativ ist es möglich, dass die Laseremitter elektrisch einzeln oder in Gruppen separat ansteuerbar sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser einen oder mehrere Kondensatoren. Der mindestens eine Kondensator ist mit der aktiven Zone elektrisch verbunden, insbesondere parallel geschaltet. Über den zumindest einen Kondensator sind schnelle Impulsanstiegszeiten der zu erzeugenden Laserstrahlung realisierbar. Das heißt, der oder die Kondensatoren dienen zur Stromversorgung der aktiven Zone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest einem der Kondensatoren oder ist mehreren Kondensatoren oder sind Gruppen der Kondensatoren oder ist allen Kondensatoren gemeinsam ein elektronisches Schaltelement zugeordnet. Über das elektronische Schaltelement ist die zugehörige Kapazität ansteuerbar, insbesondere bestrombar und/oder entleerbar. Bei dem elektronischen Schaltelement kann es sich um einen Transistor wie einen Feldeffekttransistor, kurz FET, handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mehrere der Kondensatoren und mehrere der Schaltelemente vorhanden. Es ist möglich, dass eine 1:1-Zuordnung zwischen diesen Kondensatoren und den Schaltelementen besteht. Dabei können diese Schaltelemente elektrisch parallel zueinander geschaltet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mindestens zwei oder mindestens drei Kondensatoren vorhanden, die die gleiche Kapazität aufweisen. Dies gilt insbesondere mit einer Toleranz von höchstens 50 % oder 25 % oder 10 %. Bevorzugt sind diese Kondensatoren elektrisch parallel geschaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mindestens zwei oder genau zwei Kondensatoren oder Gruppen von Kondensatoren vorhanden, deren Kapazitäten stark unterschiedlich sind. Beispielsweise unterscheiden sich die Kapazitäten um mindestens einen Faktor 20 oder 50 oder 100. Alternativ oder zusätzlich unterscheiden sich die Kapazitäten um höchstens einen Faktor 1000 oder 500 oder 200 voneinander.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Kondensator mit der kleineren Kapazität dazu eingerichtet, die aktive Zone unmittelbar nach einem Einschaltvorgang mit Strom zu versorgen. Der zumindest eine Kondensator mit der größeren Kapazität kann hauptsächlich zu einer nachfolgenden Stromversorgung eingerichtet sein. Hierdurch lassen sich besonders kurze Impulsanstiegszeiten der Laserstrahlung realisieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Kondensator mit der kleineren Kapazität elektrisch direkt mit der aktiven Zone verbunden. Elektrisch direkt kann bedeuten, dass ein elektrischer Widerstand zwischen dem Kondensator und der aktiven Zone und/oder der Halbleiterschichtenfolge höchstens 10 Ω oder 5 Ω oder 2 Ω beträgt. Darüber hinaus ist es möglich, dass zwischen dem Kondensator mit der größeren Kapazität und der aktiven Zone ein Widerstand angebracht ist.
Dieser Widerstand beträgt beispielsweise mindestens 100 Ω oder 1 KΩ oder 10 kΩ und/oder höchstens 100 kΩ.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser einen oder mehrere Funktionsträger. In den mindestens einen Funktionsträger ist zumindest eine elektronische Komponente integriert. Bei der elektronischen Komponente handelt es sich etwa um einen Kondensator, eine Spule, ein Schaltelement wie ein Feldeffekttransistor, eine Stromquelle wie eine steuerbare oder schaltbare Stromquelle oder eine Konstantstromquelle oder um einen Speicher oder eine Ansteuereinheit wie einen ASIC.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Kontaktträger auf dem Funktionsträger elektrisch und/oder mechanisch befestigt. Bevorzugt ist der Kontaktträger auf den Funktionsträger angelötet oder elektrisch leitfähig geklebt, insbesondere ohne die Verwendung von Bonddrähten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist als elektronische Komponente der Kondensator mit der kleineren Kapazität monolithisch in den Funktionsträger integriert. Alternativ oder zusätzlich ist der zumindest eine weitere Kondensator mit der größeren Kapazität an dem Funktionsträger angebracht, beispielsweise aufgelötet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Kondensator mit der kleineren Kapazität eine Kapazität von höchstens 1 nF oder 0,1 nF auf. Die Kapazität des größeren Kondensators liegt bevorzugt bei mindestens 1 nF oder 10 nF oder 100 nF.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdeckt die aktive Zone die zumindest eine elektronische Komponente in dem Funktionsträger teilweise oder vollständig. Hierdurch ist eine besonders platzsparende Anordnung realisierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Funktionsträger elektrische Kontaktstellen auf. Die elektrischen Kontaktstellen sind zur externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterlasers eingerichtet. Die elektrischen Kontaktstellen können sich an einer gemeinsamen Seite, insbesondere Hauptseite, des Funktionsträgers befinden, speziell an einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite. Damit kann der Funktionsträger oberflächenmontierbar sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser ohne Bonddrähte kontaktierbar und/oder ist frei von Bonddrähten. Damit können geringe Induktivitäten in den elektrischen Zuleitungen realisiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser dazu eingerichtet, Laserimpulse mit einer kleinen mittleren Impulsdauer zu erzeugen. Beispielsweise liegt die Impulsdauer bei mindestens 0,2 ns oder 0,5 ns und/oder bei höchstens 5 ns oder 2 ns.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener Halbleiterlaser 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:

1A bis 1E schematische Schnittdarstellungen von Verfahrensschritten zur Herstellung eines hier beschriebenen Halbleiterlasers,
2A und 3A schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlasern,
2B und 3B schematische Draufsichten auf Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen Halbleiterlasern,
4 und 6 bis 8 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlasern, und
5, 9 und 10 schematische elektrische Schaltpläne von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterlasern.

In 1 ist ein Herstellungsverfahren für einen Halbleiterlaser 1 illustriert. Bei dem Halbleiterlaser 1 handelt es sich um einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, auch als VCSEL bezeichnet. Der Halbleiterlaser 1 ist als Flip-Chip in Dünnfilmtechnik gestaltet.
Gemäß 1A wird eine Halbleiterschichtenfolge 2 auf Basis von AlInGaAs auf einem Aufwachssubstrat 25 aufgewachsen. Bei dem Aufwachssubstrat 25 handelt es sich insbesondere um ein GaAs-Substrat. In Richtung weg von dem Aufwachssubstrat 25 folgen eine Ätzstoppschicht 26 oder eine Opferschicht 26, eine p-Kontaktschicht 27, eine p-Stromaufweitungsschicht 28, eine aktive Zone 20 zur Erzeugung von Laserstrahlung, eine n-Stromaufweitungsschicht 29 sowie eine n-Kontaktschicht 24 aufeinander. Es können weitere, nicht dargestellte Schichten vorhanden sein.
An einer dem Aufwachssubstrat 25 abgewandten Seite folgt auf die Halbleiterschichtenfolge 2 ein erster Resonatorspiegel 41. Bei dem ersten Resonatorspiegel 41 handelt es sich bevorzugt um einen Bragg-Spiegel. Der erste Resonatorspiegel 41 weist dann eine wechselnde Abfolge von Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex auf.
Wie in 1B illustriert, kann der erste Resonatorspiegel 41 ein Teil der Halbleiterschichtenfolge 2 sein und epitaktisch gewachsen sein. Alternativ, wie in Verbindung mit 1A illustriert, kann der erste Resonatorspiegel 41 auch unabhängig von der Halbleiterschichtenfolge 2 erzeugt sein.
Ferner ist in 1B illustriert, dass an einem ersten elektrischen Anschlussbereich 21 der Halbleiterschichtenfolge 2 eine erste elektrische Kontaktfläche 31 erzeugt wird. Die erste elektrische Kontaktfläche 31 kann zusammen mit dem ersten Resonatorspiegel 41 einen kombinierten Spiegel für die erzeugte Laserstrahlung L bilden. Die erste elektrische Kontaktfläche 31 wird beispielsweise mittels Aufdampfen erzeugt.
In 1C ist illustriert, dass eine zweite elektrische Kontaktfläche 32 ebenfalls an dem ersten Resonatorspiegel 41 gebildet wird. Die beiden Kontaktflächen 31, 32 bedecken einen vergleichsweise großen Anteil der Halbleiterschichtenfolge 2. Bevorzugt sind beide Kontaktflächen 31, 32 aus einer oder mehreren Metallschichten gebildet. Die Kontaktflächen 31, 32 können baugleich sein.
Gemäß 1D werden die Kontaktflächen 31, 32 etwa galvanisch verstärkt. Damit können die Kontaktflächen 31, 32 Podeste etwa aus Nickel bilden. Die Kontaktflächen 31, 32 sind von einem Vergusskörper 33 umgeben. Der Vergusskörper 33 kann in Richtung weg von dem Aufwachssubstrat 25 bündig mit den Kontaktflächen 31, 32 abschließen. Über die so erzeugten Kontaktflächen 31, 32 ist der fertige Halbleiterlaser 1 elektrisch Kontaktierbar. Durch den Vergusskörper 33 und die verstärkten Kontaktflächen 31, 32 wird ein Kontaktträger 3 gebildet, der die den fertigen Halbleiterlaser 1 mechanisch tragende Komponente sein kann.
Beim Verfahrensschritt, wie in Verbindung mit 1E gezeigt, wird die Halbleiterschichtenfolge 2 mit dem ersten Resonatorspiegel 41 bereichsweise von dem Kontaktträger 3 entfernt. Resultierende Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge 2 werden mit einer Passivierungsschicht 8 versehen. Die Passivierungsschicht 8 ist beispielsweise aus einem Nitrid wie Siliziumnitrid und weist etwa eine Dicke von ungefähr 100 nm auf. Auf einen dem Träger 3 abgewandten zweiten elektrischen Anschlussbereich 22 wird ein zweiter Resonatorspiegel 42 aufgebracht, beispielsweise über Sputtern und/oder Aufdampfen. Durch den zweiten Resonatorspeigel 42 hindurch wird die im Betrieb erzeugte Laserstrahlung L emittiert.
Über den Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge 2 und bevorzugt direkt auf der Passivierungsschicht 8 wird eine elektrische Verbindungsleitung 23 ausgeformt. Die elektrische Verbindungsleitung 23 umschließt den zweiten Resonatorspiegel 42 ringsum und steht in direktem Kontakt mit dem zweiten elektrischen Anschlussbereich 22 der Halbleiterschichtenfolge 2. Der zweite Resonatorspiegel 42, etwa ein Bragg-Spiegel, kann stromlos sein. Ausgehend von dem zweiten Anschlussbereich 22 erstreckt sich die Verbindungsleitung 23 entlang der Passivierungsschicht 8 bis hin zur zweiten elektrischen Kontaktfläche 32. Über die bevorzugt metallische Verbindungsleitung 23 ist damit die Halbleiterschichtenfolge 2 mittels der Kontaktflächen 31, 32 oberflächenmontierbar elektrisch anschließbar sein.
Bevorzugt erfolgt vor dem Erzeugen der Passivierungsschicht 8 eine laterale Stromeinengung mittels Oxidation von einer der Schichten der Halbleiterschichtenfolge 2, nicht dargestellt.
Beim Ausführungsbeispiel der 2 ist die elektrische Verbindungsleitung 23 ringsum von dem zweiten Resonatorspiegel 42 hin zu dem Kontaktträger 3 gezogen. Dadurch ist die erste elektrische Kontaktfläche 31 bevorzugt ringsum kreisförmig von der zweiten elektrischen Kontaktfläche 32 umgeben. Ebenso der zweite Resonatorspiegel 42 ist ringsum von der Verbindungsleitung 23 umschlossen. im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der 2 dem der 1.
In Verbindung mit 3 ist illustriert, dass die Verbindungsleitung 23 entweder an Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge 2 angebracht ist und/oder über eine Durchkontaktierung 23a verfügt, die durch die Halbleiterschichtenfolge 2 hindurch verläuft und in Draufsicht gesehen ringsum von einem Material der Halbleiterschichtenfolge 2 und/oder der Resonatorspiegel 41, 42 umgeben ist. Ausgehend von einem Ring um den zweiten Resonatorspiegel 42 herum kann sich die elektrische Verbindungsleitung 23 streifenförmig hin zur Durchkontaktierung 23a erstrecken.
Beim Ausführungsbeispiel der 4 weist der Halbleiterlaser 1 zusätzlich einen Funktionsträger 5 auf. Die Halbleiterschichtenfolge 2 mit dem Kontaktträger 3 ist auf dem Funktionsträger 5 angebracht. Dabei können der Kontaktträger 3 und der Funktionsträger 5 auch durch eine einzige, gemeinsame Komponente gebildet sein.
Optional ist auf dem Funktionsträger 5 zusätzlich zu der Halbleiterschichtenfolge 2 zumindest eine elektronische Komponente wie ein Kondensator C, ein elektronisches Schaltelement 6 oder eine steuerbare Stromquelle 7 angebracht. Weiterhin können auf oder in den Funktionsträger 5 Speicherbausteine oder integrierte Schaltkreise wie ein ASIC vorhanden sein, nicht gezeichnet.
Die Verbindungsleitung 23 kann sich von einer dem Funktionsträger 5 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 20 bis hin zu der elektronischen Komponenten C, 6, 7 erstrecken. Alternativ können zusätzliche, nicht gezeichnete elektrische Leitungen vorhanden sein. Solche elektrischen Leitungen können auf und/oder innerhalb des Funktionsträgers 5 verlaufen.
In 5 ist schematisch eine elektrische Verschaltung innerhalb des Halbleiterlasers 1 veranschaulicht. Die aktive Zone 20 ist als Diode symbolisiert und elektrisch mit einer Versorgungsspannung V und mit einem Erdkontakt, auch als Ground bezeichnet, kurz GND, verbunden. Als Schaltelement ist ein Feldeffekttransistor 6 vorhanden, der mit einer Signalleitung S verbunden ist. Ferner sind zwei Kondensatoren C1, C2 vorhanden. Der Kondensator C1 mit der kleineren Kapazität kann parallel zur aktiven Zone 20 elektrisch verschaltet und direkt mit der aktiven Zone 20 oder der Halbleiterschichtenfolge verbunden sein. Parallel zum ersten Kondensator C1 ist ein zweiter Kondensator C2 mit einer größeren Kapazität vorhanden, der über einen Widerstand R mit der aktiven Zone 20 verbunden ist. Ein entsprechender Aufbau kann in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein.
Bevorzugt sind das Schaltelement 6, die Halbleiterschichtenfolge 2 mit der aktiven Zone 20 sowie der Kondensator C1 mit der kleineren Kapazität unmittelbar an oder in dem Funktionsträger 5 angebracht. Speziell sind das Schaltelement 6 und der Kondensator C1 in dem etwa auf silizium basierenden Funktionsträger 5 integriert. Bei dem optionalen Widerstand R und dem Kondensator C2 mit der größeren Kapazität kann es sich um zusätzlich auf den Funktionsträger 5 aufgebrachte Komponenten handeln, vergleiche auch 4.
Die Kondensator C1, C2 dienen als Energiespeicher. Über den Kondensator C1 mit der kleineren Kapazität ist ein schnelles Ansteigen der Laserintensität erreichbar, sodass der Kondensator C1 eine Art Einschaltladung für beispielsweise die ersten 100 ps oder 200 ps des Einschaltvorgangs zur Verfügung stellt. Nachfolgend dient im Wesentlichen der Kondensator C2 mit der größeren Kapazität als Energiespeicher für die gepulst betriebene aktive Zone 20.
In 6 ist veranschaulicht, dass das Schaltelement 6 in dem Funktionsträger 5 integriert ist. An einer der Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandten Unterseite befinden sich elektrische Kontaktstellen 51, 52 des Funktionsträgers 5, über die der Halbleiterlaser 1 extern elektrisch kontaktierbar ist. Damit ist der Halbleiterlaser 1 spannungsgesteuert.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist die Halbleiterschichtenfolge 2 bevorzugt in eine Vielzahl von einzelnen Laseremittern 11 unterteilt. Die Laseremitter 11 können in Draufsicht gesehen als regelmäßiges, zweitdimensionales Array angeordnet sein. Es ist möglich, dass die Laseremitter 11 alle elektrisch parallel geschaltet sind oder einzeln oder in Gruppen separat elektrisch ansteuerbar sind.
Bevorzugt ist jeder der einzelnen Laseremitter 11 ringförmig von einer Elektrode wie der elektrischen Verbindungsleitung 23, vergleiche 2, in Draufsicht gesehen umgeben. Die einzelnen laseraktiven Bereiche, insbesondere genau ein laseraktiver Bereich pro Laseremitter 11, weisen beispielsweise einen Durchmesser von mindestens 20 µm und/oder höchstens 50 µm auf. Ein Abstand zwischen benachbarten Laseremittern 11 liegt beispielsweise bei mindestens 50 µm und/oder höchstens 100 µm. Damit kann ein Rastermaß der Laseremitter 11 beispielsweise bei mindestens 70 µm und/oder bei höchstens 200 µm liegen. Eine typische Kantenlänge der Halbleiterschichtenfolge 2 mit der Vielzahl von Laseremittern 11 liegt zum Beispiel bei 1 mm.
In 7 ist illustriert, dass in dem Funktionsträger 5 eine steuerbare Stromquelle 7 integriert ist, die über das Schaltelement 6 angesteuert wird. Damit ist der Halbleiterlaser 1 gemäß 7 stromgesteuert über die steuerbare und schaltbare Stromquelle 7.
In der bevorzugten Ausführungsform der 8 ist zusätzlich zu dem Schaltelement 6 in dem Funktionsträger 5 ein Kondensator C integriert. Insbesondere entspricht dieser Kondensator C dem in 5 illustrierten Kondensator C1 mit der kleineren Kapazität.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass die Halbleiterschichtenfolge 2 die gesamte den Kontaktstellen 51, 52 abgewandte Hauptseite des Funktionsträgers 5 bedeckt. Damit sind auch die elektronischen Komponenten C, 6, 7 von der Halbleiterschichtenfolge 2 überdeckt. Abweichend hiervon ist es möglich, dass die Halbleiterschichtenfolge 2 seitlich von dem Funktionsträger 5 überragt wird.
Bei dem Schaltungsaufbau der 9 ist ein Kondensator C vorhanden, der von drei elektrisch parallel geschalteten Schaltelementen 6 angesteuert wird. Die Schaltelemente 6 sind jeweils mit der Signalleitung S verbunden. Somit fließt über jedes der Schaltelemente 6 beim Schalten des Kondensators C ein vergleichsweise geringer Strom, sodass eine Induktivität aufgrund des nicht linearen Zusammenhangs zwischen der Stromstärke und der Induktivität insgesamt reduzierbar ist.
Der Kondensator C in 9 kann dem Kondensator C2 mit der größeren Kapazität in 5 entsprechen. Damit können die Schaltungen der 5 und 9 miteinander kombiniert werden. Es ist möglich, dass die Schaltelemente 6 separat auf dem Funktionsträger 5 angebracht werden oder in dem Funktionsträger 5 integriert sind, siehe etwa die 6 und 8.
Beim Ausführungsbeispiel der 10 sind drei Kondensatoren C vorhanden, die elektrisch parallel geschaltet sind. Mit anderen Worten ist der eine Kondensator der 9 aufgeteilt in drei Kondensatoren C. Damit lässt sich zusätzlich die Induktivität verringern. Im Übrigen gelten die Ausführungen zur 9 für die 10 entsprechend.
Die drei Kondensatoren C können durch einzelne, separate Bauteile realisiert sein oder auch in einem gemeinsamen Bauteil integriert sein, das bevorzugt auf dem Funktionsträger 5 aufgebracht wird. Alternativ können alle drei Kondensatoren C in dem Funktionsträger 5 integriert werden, vergleiche 8.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Dickenverhältnisse, Längenverhältnisse und Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben.
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
11: Laseremitter
2: Halbleiterschichtenfolge
20: aktive Zone
21: erster elektrischer Anschlussbereich
22: zweiter elektrischer Anschlussbereich
23: elektrische Verbindungsleitung
23a: Durchkontaktierung
24: n-Kontaktschicht
25: Aufwachssubstrat
26: Ätzstoppschicht oder Opferschicht
27: p-Kontaktschicht
28: p-Stromaufweitungsschicht
29: n-Stromaufweitungsschicht
3: Kontaktträger
31: erste elektrische Kontaktfläche
32: zweite elektrische Kontaktfläche
33: Vergusskörper
41: erster Resonatorspiegel
42: zweiter Resonatorspiegel
5: Funktionsträger
51, 52: elektrische Kontaktstelle
6: elektronisches Schaltelement
7: steuerbare Stromquelle
8: Passivierungsschicht
C: Kondensator
GND: Ground/Erde
L: Laserstrahlung
R: Widerstand
S: Signalleitung
V: Versorgungsspannung

Claims

Halbleiterlaser (1), insbesondere oberflächenemittierender Halbleiterlaser, mit: - einer Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer aktiven Zone (20) zur Erzeugung von Laserstrahlung und mit einem ersten und einem zweiten elektrischen Anschlussbereich (21, 22) an einander gegenüberliegenden Hauptseiten, - einem Kontaktträger (3) mit elektrischen Kontaktflächen (31, 32) zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge (2), und - einer elektrischen Verbindungsleitung (23) von der dem Kontaktträger (3) abgewandten Hauptseite der Halbleiterschichtenfolge (2) hin zum Kontaktträger (3), wobei sich die Verbindungsleitung (23) an oder in der Halbleiterschichtenfolge (2) befindet.
Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei - der Halbleiterlaser (1) ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser ist, - der Halbleiterlaser (1) oberflächenmontierbar ist, - sich die Kontaktflächen (31, 32) in einer gemeinsamen Ebene befinden, - die aktive Zone (20) parallel zum Kontaktträger (2) orientiert ist und sich zwischen zwei Resonatorspiegeln (41, 42) befindet, - im Betrieb eine Laserstrahlung (L) in Richtung senkrecht zum Kontaktträger (2) emittiert wird, und - der Halbleiterlaser (1) frei von einem Aufwachssubstrat (25) der Halbleiterschichtenfolge (2) ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem- ein mittlerer Abstand der Verbindungsleitung (23) zur Halbleiterschichtenfolge (2) höchstens 3 µm beträgt.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kontaktträger (3) aus den Kontaktflächen (31, 32) und einem Vergusskörper (33) zusammengesetzt ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Kontaktträger (3) ein Siliziumträger ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiterschichtenfolge (2) in Draufsicht gesehen in eine Vielzahl einzelner Laseremitter (11) unterteilt ist, wobei die Laseremitter (11) elektrisch parallel geschaltet sind.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mehrere Kondensatoren (C), die mit der aktiven Zone (20) elektrisch in Serie geschaltet sind, wobei zumindest einer der Kondensatoren (C) ein elektronisches Schaltelement (6) zum Ansteuern der zugehörigen Kapazität (C) zugeordnet ist.
Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem mindestens einem der Kondensatoren (C) mehrere der Schaltelement (6) zugeordnet sind und diese Schaltelemente (6) elektrisch parallel geschaltet sind.
Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem mindestens drei der Kondensatoren (C) vorhanden sind, die mit einer mit einer Toleranz von höchstens 25 % die gleiche Kapazität aufweisen.
Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem mindestens zwei der Kondensatoren (C) vorhanden sind, deren Kapazitäten sich um mindestens einen Faktor 50 und um höchstens einen Faktor 1000 unterscheiden, wobei der Kondensator (C) mit der kleineren Kapazität dazu eingerichtet ist, die aktive Zone (20) unmittelbar nach einem Einschaltvorgang mit Strom zu versorgen und der Kondensator (C) mit der größeren Kapazität zu einer nachfolgenden Stromversorgung eingerichtet ist.
Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Kondensator (C) mit der kleineren Kapazität elektrisch direkt mit der aktiven Zone (20) verbunden ist, wobei zwischen dem Kondensator (C) mit der größeren Kapazität und der aktiven Zone (20) ein Widerstand (R) angebracht ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens einen Funktionsträger (5), in dem mindestens eine elektronische Komponente (C, 7) integriert ist und der Funktionsträger (5) aus Silizium ist, wobei der Kontaktträger (3) auf dem Funktionsträger (5) elektrisch und mechanisch befestigt ist.
Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch und nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei als elektronische Komponente der Kondensator (C) mit der kleineren Kapazität monolithisch in dem Funktionsträger (5) integriert ist und der zumindest eine weitere Kondensator (C) an dem Funktionsträger (5) angebracht ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem als elektronische Komponente mindestens eine steuerbare Stromquelle (7) in dem Funktionsträger (5) integriert ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die aktive Zone (20) die mindestens eine elektronische Komponente (C, 7) überdeckt, wobei elektrische Kontaktstellen (51, 52) des Funktionsträgers (5) zur externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterlasers (1) an einer der Halbleiterschichtenfolge (2) abgewandten Seite angebracht sind.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ohne Bonddrähte kontaktierbar ist und frei von Bonddrähten ist, wobei der Halbleiterlaser (1) für Laufzeitanwendungen vorgesehen und dazu eingerichtet ist, Laserimpulse mit einer mittleren Impulsdauer zwischen einschließlich 0,5 ns und 5 ns eingerichtet ist.