DE102017112242A1

DE102017112242A1 - Kantenemittierender Halbleiterlaser und Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterlasers

Info

Publication number: DE102017112242A1
Application number: DE102017112242.7A
Authority: DE
Inventors: Alexander Bachmann
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2037-06-03
Also published as: DE102017112242B4; US10931084B2; US20190131773A1; US20170365982A1; JP6635980B2; US10177533B2; JP2017228772A

Abstract

Es umfasst der kantenemittierende Halbleiterlaser (1) eine aktive Zone (30) innerhalb einer Halbleiterschichtenfolge (3) sowie eine Verspannungsschicht (6). Die aktive Zone (30) ist dazu eingerichtet, nur in einem Längsstreifen (33) senkrecht zu einer Wachstumsrichtung (G) der Halbleiterschichtenfolge (3) bestromt zu werden. Die Halbleiterschichtenfolge (3) ist im Bereich des Längsstreifens (33) durchgehend mit einer konstanten Dicke gestaltet, so dass der Halbleiterlaser (1) gewinngeführt ist. Durch die Verspannungsschicht (6) ist die Halbleiterschichtenfolge (3) lokal verspannt, in Richtung senkrecht zu dem Längsstreifen (33) und in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung (G). Somit ist ein Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (3) in Bereichen, die in Draufsicht gesehen neben dem Längsstreifen (33) liegen, für die im Betrieb erzeugte Laserstrahlung (L) um mindestens 2 × 10–4 und um höchstens 5 × 10–3 herabgesetzt. Hieraus resultiert eine Indexführung der Laserstrahlung (L) entlang des Längsstreifens (33).

Description

Es wird ein kantenemittierender Halbleiterlaser angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Lasers angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen kantenemittierenden Halbleiterlaser anzugeben, der mit hoher Effizienz Strahlung in einen bestimmten Bereich emittiert.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen kantenemittierenden Halbleiterlaser und durch ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterlaser eine aktive Zone innerhalb einer Halbleiterschichtenfolge auf. Die aktive Zone weist einen pn-Übergang und/oder eine Einfach-Quantentopfstruktur oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur auf. 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 handelt es sich bei dem Halbleiterlaser um einen kantenemittierenden Laser. Dies bedeutet, dass eine Führung einer Laserstrahlung in dem Laser und/oder eine Emissionsrichtung des Lasers senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge orientiert ist. Insbesondere ist es möglich, dass eine Erzeugung von Laserstrahlung in dem Halbleiterlaser nur in einem vergleichsweise kleinen Bereich erfolgt, in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser eine oder mehrere Verspannungsschichten. Die zumindest eine Verspannungsschicht ist dazu eingerichtet, gezielt eine Materialverspannung in der Halbleiterschichtenfolge zu erzielen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die aktive Zone dazu eingerichtet, lediglich in einem Längsstreifen senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge bestromt zu werden. Der Längsstreifen ist beispielsweise durch eine Metallisierung zu einer Stromeinprägung in die aktive Zone definiert. Der Längsstreifen ist bevorzugt deckungsgleich mit einem Resonator für die Laserstrahlung. Der Längsstreifen und/oder der Resonator können gerade verlaufen oder auch Knicke oder Faltungen aufweisen oder trapezförmig oder rechteckig gestaltet sein.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wird hier und im Folgenden angenommen, dass von dem Längsstreifen hin zur aktiven Zone keine erhebliche Stromaufweitung in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung erfolgt. Dies bedeutet insbesondere, dass die Bestromung der aktiven Zone hauptsächlich oder überwiegend unterhalb und/oder deckungsgleich mit dem Längsstreifen erfolgt. Insbesondere wird die Laserstrahlung überwiegend in einem Bereich, der von dem Längsstreifen überdeckt ist, erzeugt. Überwiegend kann zu mindestens 50 % oder 80 % oder 90 % bedeuten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge im Bereich des Längsstreifens durchgehend eine gleichbleibende, konstante Dicke auf. „Im Bereich des Längsstreifens“ kann ein Gebiet bezeichnen, das in Draufsicht gesehen insgesamt doppelt oder vierfach oder achtfach oder zehnfach so breit ist wie der Längsstreifen und in dem der Längsstreifen mittig platziert ist. Mit anderen Worten ist der Längsstreifen nicht durch eine Ätzung der Halbleiterschichtenfolge und/oder durch eine Dickenreduzierung der Halbleiterschichtenfolge definiert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Halbleiterlaser um einen gewinngeführten Laser. Dies bedeutet, ein Resonator ist nicht durch einen Streifenwellenleiter vorgegeben, sondern durch einen Bestromungsbereich der aktiven Zone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Halbleiterschichtenfolge durch die Verspannungsschicht in Richtung senkrecht zu dem Längsstreifen und in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung verspannt, insbesondere zugverspannt. Die Verspannung der Wachstumsrichtung wirkt dabei bevorzugt ausschließlich oder weit überwiegend lediglich auf einen Bereich neben dem Längsstreifen, in Draufsicht gesehen. Mit anderen Worten ist bevorzugt die aktive Zone im Bereich der Bestromung nicht oder nicht signifikant durch die Verspannungsschicht verspannt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist durch die Verspannungsschicht ein Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge um mindestens 2 × 10^–4 oder 5 × 10^–4 und/oder um höchstens 5 × 10^–3 oder 2 × 10^–3 herabgesetzt. Dies gilt insbesondere für einen Bereich, der sich in Draufsicht gesehen neben dem Längsstreifen befindet. Mit anderen Worten weist der Bereich unterhalb des Längsstreifens in der Halbleiterschichtenfolge aufgrund der Verspannungsschicht einen leicht erhöhten Brechungsindex auf. Somit resultiert aufgrund der Verspannungsschicht eine leichte Indexführung von im Betrieb erzeugter Laserstrahlung im Bereich des Längsstreifens. Es wird also durch die Verspannungsschicht ohne eine geometrische Veränderung der Halbleiterschichtenfolge an sich eine zumindest leichte Leitung der Laserstrahlung erreicht.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der kantenemittierende Halbleiterlaser eine aktive Zone innerhalb einer Halbleiterschichtenfolge sowie eine Verspannungsschicht. Die aktive Zone ist dazu eingerichtet, nur in einem Längsstreifen senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge bestromt zu werden. Die Halbleiterschichtenfolge ist im Bereich des Längsstreifens durchgehend mit einer konstanten Dicke gestaltet, so dass der Halbleiterlaser gewinngeführt ist. Durch die Verspannungsschicht ist die Halbleiterschichtenfolge lokal verspannt, bevorzugt zugverspannt, in Richtung senkrecht zu dem Längsstreifen und in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung. Somit ist ein Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge in Bereichen, die in Draufsicht gesehen neben dem Längsstreifen liegen, für die im Betrieb erzeugte Laserstrahlung um mindestens 2 × 10^–4 und um höchstens 5 × 10^–3 herabgesetzt. Hieraus resultiert eine Indexführung der Laserstrahlung entlang des Längsstreifens.
Hochleistungslaserdioden etwa für Faserkoppelanwendungen wie Halbleiterlaserdioden, die zum Pumpen von Faserlasern verwendet werden, sind oftmals nicht mehr durch die erreichbare optische Ausgangsleistung und Zuverlässigkeit limitiert, sondern vor allem durch die Strahlqualität und Brillanz. Das heißt, die optische Ausgangsleistung muss innerhalb eines gewissen Raumwinkelbereichs abgestrahlt werden, um in eine optische Faser eingekoppelt werden zu können. Um die nutzbare Leistung in der Faser zu erhöhen, müssen der Abstrahlwinkel und die lichtemittierende Fläche auf einer Auskoppelfacette des Halbleiterlasers reduziert werden. Insbesondere ist eine Reduktion des so genannten Strahlparameterprodukts, kurz SPP, erwünscht. Das Strahlparameterprodukt ist definiert als das Produkt aus dem Abstrahlwinkel und der lichtemittierenden Fläche.
Bei herkömmlichen Breitstreifenlasern und Kantenemittern ist vor allem die Strahlqualität in Richtung parallel zu den Schichtebenen, also in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge, auch als Slow Axis bezeichnet, begrenzend. Speziell bei gewinngeführten Lasern ist die Breite einer Lichtemission nicht exakt durch eine strukturierte Kontaktbreite definiert, sondern wird etwa durch thermische Effekte und durch Stromaufweitungseffekte mitbestimmt. In der Regel ist die Breite der lichtemittierenden Fläche somit größer als eine Kontaktbreite von elektrischen Kontakten an sich, da Ladungsträger lateral diffundieren können. Diese größere Breite stört in manchen Anwendungen, da einerseits das Strahlparameterprodukt erhöht wird und andererseits eine Breite der lichtemittierenden Fläche nicht stabil ist, beispielsweise bei einer Erhöhung eines elektrischen Pumpstroms.
Zwar kann durch eine Ätzung der Halbleiterschichtenfolge außerhalb des Kontaktstreifens eine optische Indexführung erreicht und so die Breite der Lichtemission stabilisiert werden, jedoch führt dies zu einem unerwünschten erhöhten Abstrahlwinkel. Bei dem hier beschriebenen Halbleiterlaser wird die unerwünschte Verbreiterung der Lichtemission durch die Verspannungsschicht, die eine gezielte Verspannung ohne Ätzen der Halbleiterschichtenfolge bewirkt, vermieden.
Bei dem hier beschriebenen Halbleiterlaser ist die Halbleiterschichtenfolge aufgrund der Verspannungsschicht gezielt verspannt, so dass Brechungsindex-Gradienten entstehen, die zu einer Art Wellenleiter mit einer leichten Indexführung führen, ohne die Halbleiterschichtenfolge ätzen zu müssen. Somit kann eine stärkere laterale Führung eines elektrooptischen Feldes in dem Halbleiterlaser erreicht werden, sodass eine Lichtemissionsfläche lateral stärker begrenzt ist. Dies führt zu einer schmäleren Lichtemissionsfläche an der Auskoppelfacette und, bei identischen Kontaktflächen, zu einer verbesserten Strahlqualität, insbesondere einem reduzierten Strahlparameterprodukt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die durch die Verspannungsschicht hervorgerufene Verspannung, insbesondere Zugspannung, in der Halbleiterschichtenfolge bei mindestens 50 MPa oder 100 MPa oder 200 MPa. Alternativ oder zusätzlich liegt die Verspannung bei höchstens 1 GPa oder 0,5 GPa oder 0,3 GPa. Dies gilt insbesondere im Bereich neben dem Längsstreifen, in Draufsicht gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Abstand zwischen der Verspannungsschicht und der aktiven Zone in Richtung längs zur Wachstumsrichtung bei mindestens 0,1 µm oder 0,5 µm oder 1 µm. Alternativ oder zusätzlich beträgt dieser Abstand höchstens 10 µm oder 5 µm oder 3 µm oder 2 µm oder 1,5 µm. Mit anderen Worten befindet sich die Verspannungsschicht relativ nahe an der aktiven Zone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein lateraler Abstand der Verspannungsschicht zum bestromten Bereich zwischen den beiden Facetten variiert. Beispielweise ist der Abstand an einer Auskoppelfacette geringer als an einer Rückfacette oder umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Längsstreifen selbst frei von der Verspannungsschicht. Mit anderen Worten ist die Verspannungsschicht strukturiert aufgebracht, insbesondere nur in Bereichen, in denen keine Stromeinprägung in die Halbleiterschichtenfolge erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine Dicke der Verspannungsschicht bei mindestens 40 nm oder 70 nm oder 100 nm. Alternativ oder zusätzlich weist die Verspannungsschicht eine Dicke von höchstens 0,5 µm oder 0,3 µm oder 0,15 µm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Verspannungsschicht in den Bereichen, in denen sie aufgebracht ist, eine gleichbleibende, konstante und/oder nicht variierende Dicke auf. Abweichend hiervon ist es möglich, dass die Verspannungsschicht mit einem Dickengradienten aufgebracht wird. Beispielsweise kann eine Dicke der Verspannungsschicht von außen in Richtung hin zu dem Längsstreifen zunehmen. Alternativ oder zusätzlich kann die Dicke der Verspannungsschicht von der Rückfacette zur Auskoppelfacette hin zunehmen oder, weniger bevorzugt, auch abnehmen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich zwischen der Verspannungsschicht und der Halbleiterschichtenfolge mindestens eine Passivierungsschicht. Damit ist es möglich, dass die Verspannungsschicht die Halbleiterschichtenfolge nicht berührt. Die Passivierungsschicht ist bevorzugt elektrisch isolierend. Ferner kann die Passivierungsschicht eine gleichbleibende Dicke in den Bereichen aufweisen, in denen sie aufgebracht ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die Verspannungsschicht direkt auf der Halbleiterschichtenfolge. Die Verspannungsschicht kann stellenweise oder ganzflächig unmittelbar auf der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet die Verspannungsschicht einen Teil der Halbleiterschichtenfolge. Beispielsweise ist die Verspannungsschicht mit einer definierten Gitterfehlanpassung innerhalb oder an einer Außenschicht der Halbleiterschichtenfolge erzeugt. Dabei folgt die Verspannungsschicht der aktiven Zone entlang der Wachstumsrichtung bevorzugt nach, kann sich alternativ aber auch entlang der Wachstumsrichtung vor der aktiven Zone befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Verspannungsschicht aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt. Dabei können Teilschichten aus unterschiedlichen Materialklassen miteinander kombiniert werden, beispielsweise dielektrische Materialien mit metallischen Materialien. Die Teilschichten folgen bevorzugt unmittelbar aufeinander und sind direkt übereinander gestapelt angeordnet. Die Teilschichten können deckungsgleich zueinander angebracht sein oder einen seitlichen Versatz und/oder unterschiedliche Größen aufweisen, in Draufsicht gesehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet der Halbleiterlaser mehrere Verspannungsschichten. Die Verspannungsschichten können voneinander durch weitere Schichten separiert sein, so dass sich die Verspannungsschichten gegenseitig nicht berühren. In Draufsicht gesehen können die Verspannungsschichten einander teilweise oder vollständig überlappen oder vollständig nebeneinander angeordnet sein. Die Verspannungsschichten können in funktional unterschiedlichen Bereichen angebracht oder untergebracht sein, beispielsweise im Bereich von Passivierungsschichten, von elektrischen Kontaktschichten oder elektrischen Kontaktstrukturen und/oder im Bereich von Stromaufweitungsschichten oder Leiterbahnen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet der Halbleiterlaser eine elektrische Kontaktstruktur. Die Kontaktstruktur befindet sich bevorzugt an einer der aktiven Zone entlang der Wachstumsrichtung nachfolgenden Seite der Halbleiterschichtenfolge. Die elektrische Kontaktstruktur ist bevorzugt aus einem oder mehreren Metallschichten gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann die Kontaktstruktur eine oder mehrere elektrisch leitende Schichten aus einem nichtmetallischen, elektrisch leitenden Material, insbesondere aus einem transparenten leitfähigen Oxid wie ITO, umfassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Verspannungsschicht elektrisch leitend. In diesem Fall ist die Verspannungsschicht bevorzugt aus einem Metall, einer Metall-Legierung, einem transparenten leitfähigem Oxid oder einem Halbleitermaterial gebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst oder besteht die Verspannungsschicht aus einem oder aus mehreren Metalloxiden. Das Metalloxid kann elektrisch isolierend oder elektrisch leitend sein. Beispielsweise handelt es sich bei dem Metalloxid um Aluminiumoxid, Titandioxid, Zinkoxid, Zirkoniumoxid und/oder Hafniumoxid.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Verspannungsschicht teilweise oder vollständig epitaktisch gewachsen. In diesem Fall ist die Verspannungsschicht bevorzugt aus einem oder aus mehreren Halbleitermaterialien gebildet oder umfasst eines oder mehrere Halbleitermaterialien.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Verspannungsschicht aus einem oder aus mehreren dielektrischen Nitriden und/oder Oxiden gebildet oder umfasst eines oder mehrere solcher Nitride oder Oxide. Beispielsweise handelt es sich bei dem Material für die Verspannungsschicht um Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumoxid, Siliziumoxinitrid oder Siliziumnitrid.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Verspannungsschicht aus einem oder aus mehreren organischen Materialien gebildet oder umfasst eines oder mehrere organische Materialien. Beispiele für solche organischen Materialien sind Polyimide oder Benzocyclobuten, kurz BCB.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Verspannungsschicht, bevorzugt an einer der Halbleiterschichtenfolge zugewandten Seite, eine Aufrauung auf. Durch die Aufrauung ist insbesondere bewirkt, dass eine mechanische Verzahnung der Verspannungsschicht mit einem etwa in Richtung hin zur Halbleiterschichtenfolge an die Verspannungsschicht angrenzenden Material erzeugt wird. Durch die Aufrauung kann eine Anhaftung der Verspannungsschicht an dieses angrenzende Material aufgrund der geometrischen Strukturierung verbessert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Aufrauung eine mittlere Rauheit von mindestens 20 nm oder 40 nm auf. Alternativ oder zusätzlich liegt die mittlere Rauheit bei höchstens 200 nm oder 100 nm oder 50 nm. Insbesondere liegt die mittlere Rauheit bei höchstens λ/n oder λ/2n oder λ/4n, wobei λ eine Wellenlänge maximaler Intensität der Laserstrahlung bezeichnet und n für einen mittleren Brechungsindex des an die Verspannungsschicht angrenzenden Materials und/oder des Materials der Verspannungsschicht steht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die durch die Verspannungsschicht verursachte Herabsetzung des Brechungsindexes in einem schmalen Bereich insbesondere neben dem Längsstreifen konzentriert. Dies bedeutet, dass beispielsweise mindestens 50 % oder 70 % oder 90 % der Brechungsindexänderung in einem Bereich mit einer Breite erfolgt, die höchstens 30 % oder 50 % oder 70 % einer mittleren Breite des Längsstreifens aufweist. Mit anderen Worten ist ein relativ scharfer Brechungsindexsprung durch die Verspannungsschicht erzielt. Hierbei ist es möglich, dass im Übrigen der Brechungsindex durch die Verspannungsschicht nicht oder nicht signifikant graduell verändert wird. Das heißt, in übrigen Bereichen, die sich insbesondere direkt unterhalb des Längsstreifens oder weiter von dem Längsstreifen weg befinden, kann der Brechungsindex konstant oder näherungsweise konstant sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind parallel zu dem Längsstreifen und bevorzugt beiderseits des Längsstreifens in der Halbleiterschichtenfolge Gräben geformt. Die Gräben weisen bevorzugt schräge Seitenflächen auf. Dies bedeutet, die Seitenflächen der Gräben sind dann nicht parallel zur Wachstumsrichtung orientiert. Ein Winkel der Seitenflächen zur Wachstumsrichtung liegt bevorzugt bei mindestens 10° oder 15° oder 30° und/oder bei höchstens 60° oder 45° oder 35°.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt ein Abstand zwischen dem Längsstreifen und den Gräben jeweils mindestens 10 µm oder 15 µm oder 20 µm und/oder höchstens 200 µm oder 100 µm oder 50 µm. Insbesondere sind die Gräben so weit von dem Längsstreifen entfernt, dass an den Seitenflächen keine oder keine signifikante Intensität der Laserstrahlung im bestimmungsgemäßen Betrieb vorliegt. Das bedeutet etwa, dass die Gräben und deren Seitenflächen nicht zu einer Führung der Laserstrahlung in Richtung parallel zu dem Längsstreifen eingerichtet sind und nicht oder nicht signifikant zu einer Strahlungsführung parallel zum Längsstreifen beitragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Verspannungsschicht in Richtung hin zu einer Auskoppelseite der Laserstrahlung eine bevorzugt monoton oder streng monoton zunehmende oder abnehmende Breite auf, in Draufsicht gesehen. Ist die Verspannungsschicht aus einem einzigen Materialstreifen gebildet, so nimmt die Breite der Verspannungsschicht hin zur Auskoppelseite bevorzugt ab. Ist die Verspannungsschicht aus zwei Materialstreifen gebildet, so nimmt die Breite der Verspannungsschicht hin zur Auskoppelseite bevorzugt zu, das heißt, ein Abstand zwischen den Materialstreifen verringert sich.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterlasers angegeben. Der Halbleiterlaser ist dabei aufgebaut, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für den Halbleiterlaser offenbart und umgekehrt.
In zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens tritt die Verspannung der Halbleiterschichtenfolge aufgrund der Verspannungsschicht maßgeblich erst im Betrieb des Halbleiterlasers bei oder bei einer Annäherung an eine bestimmungsgemäße Betriebstemperatur auf. Dies kann bedeuten, dass durch die Verspannungsschicht insbesondere bei Raumtemperatur, also zirka 23 °C, keine oder keine signifikante Verspannung der Halbleiterschichtenfolge hervorgerufen wird. Beispielsweise tritt die Verspannung der Halbleiterschichtenfolge durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten der Verspannungsschicht und der Halbleiterschichtenfolge auf. Die bestimmungsgemäße Betriebstemperatur liegt beispielsweise bei mindestens 30 °C oder 40 °C oder 50 °C und/oder bei höchstens 150 °C oder 130 °C oder 100 °C. Die Betriebstemperatur bezieht sich insbesondere auf eine im Betrieb des Halbleiterlasers stationär vorliegende Temperatur in oder nahe der Halbleiterschichtenfolge.
Alternativ ist es möglich, dass die durch die Verspannungsschicht hervorgerufene Verspannung der Halbleiterschichtenfolge permanent vorliegt, im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur des Halbleiterlasers. Insbesondere im letztgenannten Fall kann die durch die Verspannungsschicht hervorgerufene Verspannung der Halbleiterschichtenfolge durch das zumindest eine Material der Verspannungsschicht und/oder durch die Bedingungen beim Erzeugen der Verspannungsschicht an der Halbleiterschichtenfolge hervorgerufen sein.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener Halbleiterlaser unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben 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 schematische Schnittdarstellung einer Abwandlung eines Halbleiterlasers sowie schematische Darstellungen der optischen Eigenschaften dieses Halbleiterlasers,
2 und 4 bis 8 schematische Schnittdarstellungen von hier beschriebenen Halbleiterlasern sowie schematische Darstellungen der optischen Eigenschaften,
3 eine schematische perspektivische Darstellung eines hier beschriebenen Halbleiterlasers, und
9 und 10 schematische Draufsichten von hier beschriebenen Halbleiterlasern.
In 1 ist eine Abwandlung eines kantenemittierenden Halbleiterlasers gezeigt. Der Halbleiterlaser weist eine Halbleiterschichtenfolge 3 mit einer aktiven Zone 30 auf. Die Halbleiterschichtenfolge 3 befindet sich an einem Substrat 2, an dem eine elektrische Kontaktschicht 8 angebracht ist. An einer dem Substrat 2 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 3 befinden sich eine elektrisch isolierende Passivierungsschicht 4 sowie eine elektrische Kontaktstruktur 5. Die elektrische Kontaktstruktur 5 weist eine erste Teilschicht 51 direkt an der Halbleiterschichtenfolge 3 sowie eine flächige zweite Teilschicht 52 auf. Über die erste Teilschicht 51 und die Passivierungsschicht 4 ist ein Längsstreifen 33 definiert. Näherungsweise wird die aktive Zone 30 nur in dem Längsstreifen 33 oder in einer x-Richtung in geringfügiger Breite über den Längsstreifen 33 hinaus bestromt. Damit wird im Wesentlichen nur im Bereich des Längsstreifens 33 eine Laserstrahlung L erzeugt.
Ferner sind Gräben 7 vorhanden, die sich in einem relativ großen Abstand zu dem Längsstreifen 33 befinden. Die Gräben 7 weisen je eine Bodenfläche 70 auf, die der elektrischen Kontaktschicht 8 zugewandt ist. Schräg verlaufende Seitenflächen 71 sind dem Längsstreifen 33 zugewandt. In Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung G der Halbleiterschichtenfolge 3 können die Gräben 7 bis in das Substrat 2 reichen. Im Bereich des Längsstreifens 33 ist die Halbleiterschichtenfolge 3 ebenso wenig strukturiert wie das Substrat 2.
In 1B ist ein Verlauf einer Intensität I einer emittierten Laserstrahlung L entlang der x-Richtung illustriert. Im Bereich des Längsstreifens 33 ist die Intensität I einerseits moduliert. Andererseits wird ein signifikanter Intensitätsanteil auch außerhalb des Längsstreifens 33 emittiert. Somit ist die Laserstrahlung L, relativ zu dem Längsstreifen 33, signifikant verbreitert. Es wird die Laserstrahlung L also mit einem vergleichsweise ungünstigen Strahlparameterprodukt emittiert.
In 1C ist schließlich ein Verlauf des Brechungsindexes n entlang der x-Richtung gezeigt. Der Brechungsindex n insbesondere der aktiven Zone 30 ist im gesamten Bereich an und um den Längsstreifen 33 herum konstant. Dabei sind thermische Effekte in 1C nicht näher berücksichtigt. Insbesondere ist nicht berücksichtigt, dass durch einen lateralen Temperaturgradienten das Brechungsindexprofil verändert sein kann.
In 2 ist, in Darstellungen analog zur 1, ein Ausführungsbeispiel eines kantenemittierenden Halbleiterlasers 1 gezeigt. Der Halbleiterlaser 1 weist zusätzlich eine Verspannungsschicht 6 auf. Die bis auf den Längsstreifen 33 durchgehend aufgebrachte Verspannungsschicht 6 befindet sich unmittelbar an der Halbleiterschichtenfolge 3 und optional im Bereich der Gräben 7 auch unmittelbar an dem Substrat 2. Die Verspannungsschicht 6 ist durch die Passivierungsschicht 4 von der elektrischen Kontaktstruktur 5 vollständig separiert. Die Verspannungsschicht 6 ist beispielsweise durch eine Titandioxidschicht mit einer Dicke von ungefähr 100 nm gebildet.
Durch die Verspannungsschicht 6 ist im Bereich des Längsstreifens 33 ein erhöhter Brechungsindex erzielt, siehe 2C. Dabei fällt der Brechungsindex n an den Rändern des Längsstreifens 33 vergleichsweise stark auf einen niedrigeren Wert, der in übrigen Bereichen außerhalb des Längsstreifens 33 vorliegt, ab. Der Brechungsindexabfall fängt dort an, wo die Verspannungsschicht 6 beginnt, bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 25 % oder 10 % oder 5 % der Breite des Längsstreifens 33 entlang der x-Richtung.
Durch diesen erhöhten Brechungsindex n im Bereich des Längsstreifens 33 ist eine Indexführung der Laserstrahlung L erreicht, so dass die Laserstrahlung L in einem entlang der x-Richtung schmäleren, besser definierten Bereich emittiert wird, siehe 2B. Somit ist ein kleineres Strahlparameterprodukt erreicht.
Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der 2 der in 1 gezeigten Abwandlung. Die Gräben 7 sind dabei optional, wie auch die vollflächige elektrische Kontaktschicht 8 und der mehrschichtige Aufbau der elektrischen Kontaktstruktur 5.
Alternative Möglichkeiten zur Verringerung einer Breite der Lichtemission der Laserstrahlung L liegen darin, schmälere Kontaktstreifen in Form der Längsstreifen 33 zu wählen. Dies ist jedoch insbesondere damit verbunden, dass eine Lichtemissionsbreite nicht stromunabhängig ist und eine Strahldivergenz in der Regel erhöht ist. Weiterhin steigen eine Stromdichte und eine Leistungsdichte an, wodurch sich die Bauteilzuverlässigkeit verringern kann. Weiterhin ist es möglich, die Halbleiterschichtenfolge zu ätzen, so dass eine stärkere Indexführung durch einen Stegwellenleiter resultiert. Dadurch wird eine schmälere Lichtemissionsbreite in x-Richtung erzielt, andererseits führt dies jedoch zu einer erhöhten Strahldivergenz und damit zu nachteiligen Auswirkungen auf das Strahlparameterprodukt.
Beim Ausführungsbeispiel der 3 ist zu sehen, dass sich der Längsstreifen 33 entlang einer y-Richtung erstreckt, die senkrecht zur x-Richtung und senkrecht zur Wachstumsrichtung G orientiert ist. Ein Bereich einer Emissionsfläche der Laserstrahlung L ist durch eine Schraffur angedeutet.
Abweichend von 2 befindet sich die Verspannungsschicht 6 gemäß 3 an einer der Halbleiterschichtenfolge 3 abgewandten Seite der Passivierungsschicht 4. Optional ist es möglich, dass die Verspannungsschicht 6 nahe an der elektrischen Kontaktstruktur 5 bis zur Halbleiterschichtenfolge 3 reicht. Die elektrische Kontaktstruktur 5 bedeckt die Verspannungsschicht 6 teilweise und ist im Querschnitt gesehen T-förmig.
Abweichend von der Darstellung in 3 kann die elektrische Kontaktstruktur 5 wie in 2 gestaltet sein, wie dies auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich ist. Insbesondere kann eine zweite Teilschicht 52 vorhanden sein, die die Verspannungsschicht 6 vollständig oder im Wesentlichen vollständig bedeckt. Ferner sind bevorzugt Gräben 7 vorhanden, insbesondere wie in 2A illustriert.
Beim Ausführungsbeispiel der 4 weist die Verspannungsschicht 6 in Richtung hin zu der elektrischen Kontaktstruktur 5 eine zunehmende Dicke auf. Die Dickenzunahme der Verspannungsschicht 6 ist bevorzugt symmetrisch zum Längsstreifen 33 gestaltet. Die Kontaktstruktur 5, die Passivierungsschicht 4 und die Verspannungsschicht 6 können bündig miteinander abschließen. Optional ist die Kontaktschicht 8 an der der Halbleiterschichtenfolge 3 abgewandten Seite des Substrats 2 nur bereichsweise aufgebracht.
Beim Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers 1, wie in 5 illustriert, weist die Verspannungsschicht 6 eine Aufrauung 66 auf. Die Aufrauung 66 befindet sich gemäß 5 zwischen der Verspannungsschicht 6 und der Passivierungsschicht 4.
Solche Dickenvariationen der Verspannungsschicht 6, siehe 4, sowie solche Aufrauungen 66, siehe 5, können auch in den übrigen Ausführungsbeispielen vorhanden sein. Die relativen Positionen der Verspannungsschicht 6 und der Passivierungsschicht 4 können jeweils gegeneinander vertauscht sein. Ferner ist es möglich, Dickenvariationen und Aufrauungen 66 auch in einem einzigen Ausführungsbeispiel miteinander zu kombinieren. Abweichend von der Darstellung der 5 kann die Aufrauung 66 auch direkt an der Halbleiterschichtenfolge 3 erzeugt sein.
Beim Ausführungsbeispiel der 6 befindet sich die Verspannungsschicht 6 direkt an der Halbleiterschichtenfolge 3 und dient dazu, den Längsstreifen 33 zu definieren. Die Verspannungsschicht 6 ist beispielsweise durch ein Metall wie Gold oder Titan gebildet, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen möglich. Somit kann die Verspannungsschicht 6 elektrisch leitend sein und auch einen Teil der elektrischen Kontaktstruktur 5 darstellen.
Die Passivierungsschicht 4 und die Verspannungsschicht 6 können gleiche Dicken oder auch, anders als in 6 dargestellt, voneinander abweichende Dicken aufweisen. Insbesondere kann die Verspannungsschicht 6 dicker sein als die Passivierungsschicht 4 und optional die Passivierungsschicht 4 stellenweise bedecken. Umgekehrt kann die Passivierungsschicht 4 dicker als die Verspannungsschicht 6 sein und/oder es ist die Verspannungsschicht 6 teilweise von der Passivierungsschicht 4 bedeckt.
Beim Ausführungsbeispiel, wie in 7 illustriert, ist die Verspannungsschicht 6 als Teilschicht der elektrischen Kontaktstruktur 5 ausgebildet. Dabei kann die Verspannungsschicht 6 auf größeren Bereichen an der Halbleiterschichtenfolge 3 aufgebracht sein, als die verbleibenden Teilschichten 51 und/oder 52 der Kontaktstruktur 5.
Im Ausführungsbeispiel der 8 ist illustriert, dass die Verspannungsschicht 6 aus den Teilschichten 6a, 6b zusammengesetzt ist. Bevorzugt sind die Teilschichten 6a, 6b aus voneinander verschiedenen Materialien hergestellt, beispielsweise aus einem Halbleitermaterial in Kombination mit einem Metall oder aus einem Metall in Kombination mit einem dielektrischen Material oder einem Metalloxid. Die Teilschichten 6a, 6b können voneinander verschiedene Grundflächen aufweisen, in Draufsicht gesehen. Abweichend von 8 ist es möglich, dass die Teilschichten 6a, 6b deckungsgleich zueinander arrangiert sind.
Weiterhin ist es möglich, dass beispielsweise die Verspannungsschichten 6 der Ausführungsbeispiele der 2 bis 5 oder 8 mit den Verspannungsschichten 6 aus den Ausführungsbeispielen der 6 oder 7 kombiniert werden. Somit können mehrere Verspannungsschichten 6 in einem einzigen Halbleiterlaser 1 auftreten.
Die Veränderung des Brechungsindexes n durch die Verspannungsschicht 6 ist beispielsweise durch Mikrofotolumineszenzmessungen an einer Facette des Halbleiterlasers 1 nachweisbar. Durch die Mikrofotolumineszenz lassen sich Verzerrungen eines Kristallgitters, die mit dem abweichenden Brechungsindex n einhergehen, bestimmen.
In den 9 und 10 sind Draufsichten auf weitere Ausführungsbeispiele des Halbleiterlasers 1 gezeigt. Dabei ist die Verspannungsschicht 6 jeweils an die Breite des Lichtfelds im Resonator angepasst. Insbesondere ist wegen einer thermischen Linsenwirkung eine effektive Breite der Verspannungsschicht 6 an einer Auskoppelseite kleiner. Dabei kann die Verspannungsschicht 6 mit dem Längsstreifen 33 zum Teil überlappen, in Draufsicht gesehen. Eine solche Überlappung ist beispielsweise dadurch möglich, dass die Verspannungsschicht 6 elektrisch leitend ist und/oder dass sich die Verspannungsschicht 6 bereichsweise zwischen den Teilschichten 51, 52 der elektrischen Kontaktstruktur 5 befindet.
Gemäß 9 befindet sich die Verspannungsschicht 6 größtenteils neben dem Längsstreifen 33. Lediglich direkt an und nahe der Auskoppelseite nimmt eine Abstand zwischen den beiden Materialstreifen, aus denen die Verspannungsschicht 6 zusammengesetzt ist, ab, sodass direkt an der Auskoppelseite ein Abstand zwischen den Materialstreifen am kleinsten ist. Abweichend von der Darstellung in 9 ist es möglich, dass die Materialstreifen nicht mit dem Längsstreifen überlappen, sondern vollständig neben dem Längsstreifen 33 platziert sind.
Der Bereich, in dem die Materialstreifen der Verspannungsschicht 6 mit dem Längsstreifen 33 überlappen und/oder ihren Abstand zueinander verringern, weist von der Auskoppelseite her beispielsweise eine Ausdehnung von mindestens 2 µm oder 10 µm oder 50 µm und/oder von höchstens 200 µm oder 100 µm oder 40 µm auf. Ein mittlerer Abstand der Materialstreifen von dem Längsstreifen in dem größeren, nicht überlappenden Teilgebiet liegt zum Beispiel bei mindestens 1 µm oder 5 µm oder 20 µm und/oder bei höchstens 100 µm oder 30 µm oder 5 µm. Der Abstand zwischen den Materialstreifen nahe der Auskoppelseite verläuft insbesondere gemäß einer Quadratwurzelfunktion.
In 10 ist die Verspannungsschicht 6 durch einen einzigen Materialstreifen gebildet. Im Vergleich zu 9 ist der Materialstreifen der 10 als Negativ ausgebildet. Unter Berücksichtigung dessen gelten die Erläuterungen zur Verspannungsschicht 6 zur 9 entsprechend für 10.
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.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2016 111 255.0 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterlaser
2: Substrat
3: Halbleiterschichtenfolge
30: aktive Zone
33: Längsstreifen, in dem die aktive Zone bestromt wird
4: Passivierungsschicht
5: elektrische Kontaktstruktur
51: Teilschicht der Kontaktstruktur
52: Teilschicht der Kontaktstruktur
6: Verspannungsschicht
66: Aufrauung
7: Graben
8: elektrische Kontaktschicht
70: Bodenfläche des Grabens
71: Seitenfläche des Grabens
G: Wachstumsrichtung
I: Intensität
L: Laserstrahlung
n: Brechungsindex
x: Richtung
y: Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016111255 [0076]

Claims

Kantenemittierender Halbleiterlaser (1) mit – einer aktiven Zone (30) innerhalb einer Halbleiterschichtenfolge (3), und – einer Verspannungsschicht (6), wobei – die aktive Zone (30) dazu eingerichtet ist, nur in einem Längsstreifen (33) senkrecht zu einer Wachstumsrichtung (G) der Halbleiterschichtenfolge (3) bestromt zu werden, – die Halbleiterschichtenfolge (3) im Bereich des Längsstreifens (33) durchgehend eine konstante Dicke aufweist, sodass der Halbleiterlaser (1) gewinngeführt ist, – durch die Verspannungsschicht (6) die Halbleiterschichtenfolge (3) in Richtung senkrecht zu dem Längsstreifen (33) und in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung (G) mechanisch verspannt ist, sodass ein Brechungsindex in Draufsicht gesehen neben dem Längsstreifen (33) für im Betrieb erzeugte Laserstrahlung (L) um mindestens 2 × 10^–4 und um höchstens 5 × 10^–3 herabgesetzt ist und somit eine Indexführung der Laserstrahlung (L) resultiert.
Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die durch die Verspannungsschicht (6) hervorgerufene Zugspannung mindestens 50 MPa und höchstens 0,5 GPa beträgt, wobei ein Abstand zwischen der Verspannungsschicht (6) und der aktiven Zone (30) in Richtung längs der Wachstumsrichtung (G) mindestens 0,1 µm und höchstens 3 µm beträgt.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Längsstreifen (33) frei von der Verspannungsschicht (6) ist, wobei eine Dicke der Verspannungsschicht (6) zwischen einschließlich 40 nm und 0,3 µm liegt und die Dicke der Verspannungsschicht (6) nicht variiert.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich zwischen der Verspannungsschicht (6) und der Halbleiterschichtenfolge (3) mindestens eine Passivierungsschicht (4) befindet, sodass die Verspannungsschicht (6) die Halbleiterschichtenfolge (3) nicht berührt.
Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem sich die Verspannungsschicht (6) direkt auf der Halbleiterschichtenfolge (3) befindet.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verspannungsschicht (6) aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine elektrische Kontaktstruktur (5), wobei die Verspannungsschicht (6) ein Teil der elektrischen Kontaktstruktur (5) ist, wobei die Verspannungsschicht elektrisch leitend ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Verspannungsschicht (6) ein Metalloxid umfasst oder aus einem Metalloxid besteht.
Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Verspannungsschicht (6) aus TiO₂ ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verspannungsschicht (6) ein Halbleitermaterial umfasst oder aus einem Halbleitermaterial besteht, wobei die Verspannungsschicht (6) mindestens zum Teil epitaktisch gewachsen ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verspannungsschicht (6) ein dielektrisches Nitrid oder Oxid umfasst oder hieraus besteht.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verspannungsschicht (6) an einer der Halbleiterschichtenfolge (3) zugewandten Seite eine Aufrauung (66) aufweist, sodass mittels der Aufrauung (66) eine Verzahnung mit einem in Richtung hin zur Halbleiterschichtenfolge (3) an die Verspannungsschicht (6) grenzenden Material erzeugt und eine Anhaftung der Verspannungsschicht (6) an dieses Material geometrisch verbessert ist, wobei eine mittlere Rauheit der Aufrauung (66) mindestens 0,02 µm und höchstens 0,2 µm beträgt.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die durch die Verspannungsschicht (6) verursachte Herabsetzung des Brechungsindexes beiderseits des Längsstreifens (33) über einen Bereich hinweg mit je einer Breite von höchstens 30 % einer Breite des Längsstreifens (33) erfolgt, wobei im Übrigen der Brechungsindex konstant ist.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem parallel zu dem Längsstreifen (33) und beiderseits des Längsstreifens (33) in der Halbleiterschichtenfolge (3) Gräben (7) mit schrägen Seitenflächen (71) geformt sind, wobei ein Abstand zwischen dem Längsstreifen (33) und den Gräben (7) je mindestens 20 µm beträgt und die Gräben (7) nicht zu einer Führung der Laserstrahlung (L) in Richtung parallel zu dem Längsstreifen (33) beitragen.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verspannungsschicht (6) mit einem Dickengradienten aufgebracht ist, sodass eine Dicke der Verspannungsschicht (6) von außen in Richtung hin zu dem Längsstreifen (33) zunimmt, in Querschnitt senkrecht zum Längsstreichen (33) gesehen.
Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verspannungsschicht (6) in Richtung hin zu einer Auskoppelseite der Laserstrahlung (L) eine stetig zunehmende oder eine stetig abnehmende Breite aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines kantenemittierenden Halbleiterlasers (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zugverspannung der Halbleiterschichtenfolge (2) aufgrund der Verspannungsschicht (6) erst in Betrieb des Halbleiterlasers (1) bei Annäherung an eine bestimmungsgemäße Betriebstemperatur auftritt.