DE102018101569A1 - Oberflächenemittierender halbleiterlaserchip - Google Patents

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Tilman Rügheimer
Hubert Halbritter
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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Abstract

Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) mit einem Träger (20), einem auf dem Träger (20) angeordneten Schichtenstapel (10) mit einer senkrecht zur Stapelrichtung (R) verlaufenden Schichtenebene (L), einem Vorderseitenkontakt (310) und einem Rückseitenkontakt (320), bei dem
im Betrieb vermittels Stromeinschnürung im Schichtenstapel (10) eine vorgegebene Verteilung einer Stromdichte (I) erzielt wird, wobei
im Träger (20) eine elektrische Durchkontaktierung (200) vorgesehen ist, welche sich von einer von dem Schichtenstapel (10) abgewandten Bodenfläche (20a) des Trägers (20) bis zu einer dem Schichtenstapel (10) zugewandten Fläche des Trägers (20) erstreckt, und
die Verteilung der Stromdichte (I) durch Form und Größe des Querschnitts der Durchkontaktierung (200) parallel zur Schichtenebene (L) an der dem Schichtenstapel zugewandten Fläche maßgeblich beeinflusst ist.

Description

  • Es wird ein oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (Englisch: vertical-cavity surface-emitting laser, englische Abkürzung: VCSEL) angegeben. Ein derartiger Halbleiterlaserchip ist beispielsweise in der Patentschrift DE 10026262 B4 prinzipiell beschrieben.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip anzugeben, der besonders effizient betreibbar ist und verbesserte thermische Eigenschaften aufweist.
  • Der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip umfasst beispielsweise einen von Reflektoren gebildeten Resonator mit einem zwischen den Reflektoren angeordneten aktiven Bereich. Beispielsweise ist der Resonator mit einem Schichtenstapel gebildet, wobei die Reflektoren dazu eingerichtet sind, im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung quer zur Haupterstreckungsebene von Schichten des Schichtenstapels zu reflektieren. Beispielsweise sind die Reflektoren mit Bragg-Spiegeln gebildet, welche mit Schichten des Schichtenstapels gebildet sind. Insbesondere verläuft eine Resonanzachse des Vertikalresonators entlang der Stapelrichtung des Schichtenstapels. Die Stapelrichtung steht senkrecht zu einer Schichtenebene. Die Schichten des Schichtenstapels erstrecken sich beispielsweise entlang der Schichtenebene. Beispielsweise ist der Halbleiterlaserchip dazu eingerichtet, entlang der Stapelrichtung elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Im bestimmungsgemäßen Betrieb emittiert der Halbleiterlaserchip Laserstrahlung. Die Laserstrahlung weist beispielsweise zumindest eine besonders hohe Kohärenzlänge, eine lineare Polarisation und/oder eine Wellenlängenbandbreite von maximal 50 nm auf.
  • Insbesondere handelt es sich bei dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip um einen Dünnfilmchip, bei dem das Aufwachssubstrat, auf welchem der Schichtenstapel hergestellt worden ist, entfernt ist. Das Aufwachssubstrat ist beispielsweise mittels eines Laser-Lift-Off-Verfahrens oder mittels eines Ätzprozesses von dem Schichtenstapel entfernt. Ein Laser-Lift-Off-Verfahren ist beispielsweise in der internationalen Veröffentlichung WO 03/065420 A2 prinzipiell beschrieben.
  • Der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip umfasst einen Träger, auf welchem der Schichtenstapel, ein Vorderseitenkontakt und ein Rückseitenkontakt angeordnet sind. Beispielsweise handelt es sich bei dem Träger um eine mechanisch tragende Struktur des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips. Der Träger weist eine Haupterstreckungsebene auf, welche quer zur Stapelrichtung, insbesondere senkrecht zur Stapelrichtung, des Schichtenstapels liegen kann. Beispielsweise ist der Träger mit einem Halbleitermaterial, insbesondere mit Silizium, gebildet.
  • Der Vorderseitenkontakt und der Rückseitenkontakt können beispielsweise jeweils an einander gegenüberliegenden Hauptflächen des Schichtenstapels angeordnet sein. Insbesondere ist der Vorderseitenkontakt an einer von dem Träger abgewandten Seite des Schichtenstapels angeordnet und der Rückseitenkontakt an einer dem Träger zugewandten Seite des Schichtenstapels angeordnet. Der Schichtenstapel ist beispielsweise mittels des Vorderseitenkontakts und des Rückseitenkontakts elektrisch leitend kontaktierbar. Zum Betreiben des Halbleiterlaserchips wird zwischen dem Vorderseitenkontakt und dem Rückseitenkontakt beispielsweise eine vorgegebene elektrische Spannung angelegt oder ein vorgegebener elektrischer Strom eingeprägt.
  • Mittels Stromeinschnürung wird im Schichtenstapel eine vorgegebene Verteilung einer Stromdichte erzielt. Beispielsweise gibt die Stromeinschnürung die Verteilung der Stromdichte derart vor, dass durch den aktiven Bereich fließender Strom nur ein Teil des aktiven Bereichs, im Folgenden als aktives Volumen bezeichnet, mit einer ausreichend hohen Stromdichte beaufschlagt wird, um eine Besetzungsinversion zu erzeugen. Insbesondere wird im bestimmungsgemäßen Betrieb innerhalb des aktiven Volumens Laserstrahlung generiert und verstärkt, wobei das aktive Volumen innerhalb des aktiven Bereichs mittels Stromeinschnürung begrenzt ist.
  • Bei dem Strom, dessen Verteilung der Stromdichte vermittels Stromeinschnürung vorgegeben wird, handelt es sich beispielsweise um einen Pumpstrom, welcher dazu erforderlich ist, die Besetzungsinversion innerhalb des aktiven Bereichs zu erzeugen.
  • Entlang der Schichtenebene kann das aktive Volumen einen zusammenhängenden, insbesondere einfach zusammenhängenden, Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann der Querschnitt eine kreisrunde, ovale oder andere zweidimensionale Form aufweisen.
  • Im Träger ist eine elektrische Durchkontaktierung vorgesehen, welche sich von einer von dem Schichtenstapel abgewandten Bodenfläche des Trägers bis zur dem Schichtenstapel zugewandten Fläche des Trägers erstreckt. Die Durchkontaktierung ist beispielsweise mit einem elektrisch leitenden Material gebildet. Insbesondere kann die Durchkontaktierung mit einem Metall, beispielsweise Kupfer, gebildet sein. Zum Herstellen der Durchkontaktierung kann mittels eines Ätzverfahrens in dem Träger ein Loch mit isolierenden Seitenflächen erzeugt sein, welches mit dem Material der Durchkontaktierung vollständig befüllt ist. Form und Größe des Querschnitts der Durchkontaktierung, parallel zur Schichtebene an der dem Schichtenstapel zugewandten Seite, beeinflussen maßgeblich das Profil der Stromdichte im aktiven Bereich. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn zwischen der Durchkontaktierung und dem Vorderseitenkontakt keine zusätzliche, insbesondere elektrisch isolierende, Struktur angeordnet ist, mittels der die Verteilung der Stromdichte innerhalb des aktiven Bereichs senkrecht zur Stapelrichtung, sprich lateral eingeschränkt ist. Bedingt durch die Querleitfähigkeit der im Schichtenstapel eingesetzten Materialien ist eine laterale Stromaufweitung in diesem unvermeidbar. Insbesondere überragt der aktive Bereich die Durchkontaktierung in allen Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip einen Träger, einen auf dem Träger angeordneten Schichtenstapel mit einer senkrecht zur Stapelrichtung verlaufenden Schichtenebene, einen Vorderseitenkontakt und einen Rückseitenkontakt. Im Betrieb wird vermittels Stromeinschnürung im Schichtenstapel eine vorgegebene Verteilung einer Stromdichte erzielt. Im Träger ist eine elektrische Durchkontaktierung vorgesehen, welche sich von einer von dem Schichtenstapel abgewandten Bodenfläche des Trägers bis zu einer dem Schichtenstapel zugewandten Fläche des Trägers erstreckt. Die Verteilung der Stromdichte ist durch die Form und die Größe des Querschnitts der Durchkontaktierung parallel zur Schichtenebene maßgeblich beeinflusst.
  • Einem hier beschriebenen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip liegen unter anderem die folgenden Überlegungen zugrunde. Die Funktion und die Ausgangsleistung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips hängen stark von der Stromführung innerhalb des aktiven Bereichs ab. Insbesondere die Einschnürung des Stroms entlang der Schichtenebene auf einem engen Raumbereich, in dem der Halbleiterlaserchip zur stimulierten Emission gebracht werden soll, ist von zentraler Bedeutung. Diese Stromeinschnürung kann herkömmlich beispielsweise mittels elektrisch isolierender Stromblenden innerhalb des Schichtenstapels realisiert werden. Diese Blenden können beispielsweise mit Siliziumoxid gebildet sein. Insbesondere kann je eine Blende oberhalb und unterhalb des aktiven Bereichs angeordnet sein, um eine Einschnürung des Stroms innerhalb des aktiven Bereichs zu erlangen und das aktive Volumen zu begrenzen. Jedoch erfordert die Herstellung der Blendenstrukturen zusätzliche Prozessschritte, wodurch die Herstellungskosten eines oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips steigen. Zudem wird durch die Blenden die thermische Leitfähigkeit des Schichtenstapels entlang der Stapelrichtung verringert, wodurch im Betrieb entstehende Wärme nur erschwert aus dem Schichtenstapel abgeleitet werden kann.
  • Der hier beschriebene oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip macht unter anderem von der Idee Gebrauch, einen Träger mit einer Durchkontaktierung zu verwenden. Die Durchkontaktierung ist dazu eingerichtet, mittels Stromeinschnürung die Verteilung der Stromdichte innerhalb des aktiven Bereichs maßgeblich zu beeinflussen, wobei auf der dem Träger zugewandten Seite des Schichtenstapels keine weitere Blende vorgesehen ist. Mittels der Stromeinschnürung wird die Effizienz des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips verbessert, sodass der Halbleiterlaserchip über eine längere Zeitspanne beziehungsweise mit einer höheren Leistung mit niedriger Modenzahl, insbesondere singlemodig, betreibbar ist. Mittels der Durchkontaktierung kann darüber der Serienwiderstand reduziert sein, da die Durchkontaktierung besonders nah an den Schichtenstapel angrenzt und so eine besonders geringe Verlustleistung in höherohmigen Halbleitermaterialien entsteht. Die Durchkontaktierung kann die Entwärmung unmittelbar unterhalb des Bereichs der stimulierten Emission verbessern.
  • Gemäß einer Ausführungsform bildet der Halbleiterlaserchip einen gewinngeführten Halbleiterlaser. Dabei wird das aktive Volumen nicht durch die Brechungsindices des Schichtenstapels und von an den Schichtenstapel angrenzenden Materialien, sondern beispielsweise durch die Durchkontaktierung in oben angegebener Weise maßgeblich vorgegeben. Vorteilhafterweise ist somit die Form und Querschnittsfläche des Bereichs, in welchem Laserstrahlung erzeugt wird, mittels stromeinprägender Strukturen, insbesondere der Durchkontaktierung, vorgebbar.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Rückseitenkontakt zwischen dem Schichtenstapel und dem Träger angeordnet und grenzt dieser unmittelbar einerseits an den Schichtenstapel und andererseits an die Durchkontaktierung an. Der Rückseitenkontakt ist beispielsweise dazu eingerichtet, den Träger, insbesondere die Durchkontaktierung, und den Schichtenstapel mechanisch fest miteinander zu verbinden. Beispielsweise ist der Rückseitenkontakt mit einem Metall, insbesondere einem Lotmaterial, gebildet. Beispielsweise umfasst das Lotmaterial Gold-Zinn (AuSn), Nickel-Zinn und/oder Gold-Indium-Zinn (AuInSn). Vorteilhafterweise ermöglichen der direkte Kontakt der Durchkontaktierung an den Rückseitenkontakt und der direkte Kontakt des Rückseitenkontakts an den Schichtenstapel einen besonders geringen thermischen Widerstand zwischen dem Schichtenstapel und der Durchkontaktierung. Dies verbessert eine Ableitung der im Betrieb des Halbleiterlaserchips entstehenden Wärme durch die Durchkontaktierung.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Träger einen Grundkörper, der mit einem elektrisch leitenden Material gebildet ist, und eine Durchkontaktierung, die von dem Grundkörper mittels einer elektrisch isolierenden Beschichtung getrennt ist. Beispielsweise ist der Schichtenstapel rückseitig nur elektrisch leitend mit der Durchkontaktierung verbunden und von dem Grundkörper elektrisch isoliert. Insbesondere ist die Durchkontaktierung an deren Seitenfläche zum Grundkörper hin vollständig von der elektrisch isolierenden Schicht überdeckt. Insbesondere kann die Beschichtung mit einem keramischen Material oder mit Siliziumoxid gebildet sein. Beispielsweise kann das elektrisch leitende Material des Grundkörpers auch eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen.
  • Insbesondere wird dadurch die Entwärmung des Schichtenstapels verbessert, da der thermische Widerstand des Trägers insgesamt reduziert ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Durchkontaktierung eine höhere thermische Leitfähigkeit als der Grundkörper auf. Beispielsweise weist die Durchkontaktierung eine thermische Leitfähigkeit von zumindest 300 Watt pro Meter Kelvin [W/(m*K)], bevorzugt zumindest 400 Watt pro Meter Kelvin [W/(m*K)], auf. Der Grundkörper weist beispielsweise eine thermische Leitfähigkeit von maximal 200 Watt pro Meter Kelvin [W/(m*K)], insbesondere maximal 150 Watt pro Meter Kelvin [W/(m*K)], auf. Beispielsweise kann die Durchkontaktierung mit Kupfer, bevorzugt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, gebildet sein und der Grundkörper kann beispielsweise mit Silizium, bevorzugt aus Silizium, gebildet sein. Vorteilhafterweise ermöglicht die besonders hohe thermische Leitfähigkeit der Durchkontaktierung eine besonders effiziente Entwärmung des Schichtenstapels.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Länge der Durchkontaktierung durch den Träger hindurch zumindest zehnmal größer als der mittlere Durchmesser der Durchkontaktierung parallel zur Bodenfläche. Beispielsweise weist die Durchkontaktierung einen mittleren Durchmesser von maximal 10 µm, insbesondere maximal 5 µm, auf. Beispielsweise weist die Durchkontaktierung eine Länge von zumindest 100 µm, insbesondere zumindest 250 µm, auf. Vorteilhafterweise ist mittels des mittleren Durchmessers der Durchkontaktierung die Stromeinschnürung innerhalb des aktiven Bereichs anpassbar. Insbesondere sind somit elektrische und optische Eigenschaften des Halbleiterlaserchips vorgebbar.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Schichtenstapel einen aktiven Bereich zwischen einem ersten Bragg-Spiegel und einem zweiten Bragg-Spiegel, wobei der zweite Bragg-Spiegel an einer von dem Träger abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet ist, und der aktive Bereich zumindest manche Schichten des zweiten Bragg-Spiegels entlang der Schichtenebene vollständig überragt. Der erste und der zweite Bragg-Spiegel bilden beispielsweise die Reflektoren des Resonators. Insbesondere wird im bestimmungsgemäßen Betrieb der aktive Bereich durch den ersten Bragg-Spiegel und durch den zweiten Bragg-Spiegel bestromt. Die Bragg-Spiegel sind beispielsweise dazu eingerichtet zumindest einen Teil, bevorzugt zumindest 90%, der in dem aktiven Bereich erzeugten elektromagnetischen Strahlung zu reflektieren. Insbesondere weist der zweite Bragg-Spiegel eine höhere Reflektivität für im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung als der erste Bragg-Spiegel auf.
  • Einzelne Schichten des zweiten Bragg-Spiegels können teilweise entfernt sein, sodass diese Schichten entlang der Schichtenebene von dem aktiven Bereich und/oder dem ersten Bragg-Spiegel in allen Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung überragt werden. Beispielsweise ist durch das teilweise Entfernen von Schichten des zweiten Bragg-Spiegels eine zusätzliche Stromeinschnürung innerhalb des aktiven Bereichs möglich. Vorteilhafterweise ist in Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung mittels des zweiten Bragg-Spiegels eine Einschränkung von Schwingungsmoden im Schichtenstapel möglich.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Schicht des zweiten Bragg-Spiegels eine elektrisch isolierende Apertur, die einen elektrisch leitenden Bereich entlang der Schichtenebene, sprich lateral, begrenzt. Beispielsweise kann das Material der Apertur eine oxidierte Form des Materials des elektrisch leitenden Bereichs sein. Insbesondere ist zum Erzeugen der Apertur eine Schicht des zweiten Bragg-Spiegels von einer Seitenfläche des Bragg-Spiegels her eingebracht. Bei der Seitenfläche handelt es sich um eine Fläche, welche mit einer Mehrzahl von Schichten des Schichtenstapels gebildet ist, und die sich quer zur Schichtenebene erstreckt.
  • Die Apertur weist beispielsweise einen Innendurchmesser auf, innerhalb von dem der elektrisch leitende Bereich angeordnet ist. Der Innendurchmesser der Apertur unterscheidet sich beispielsweise maximal um 50 % vom Durchmesser der Durchkontaktierung. Insbesondere ist der Innendurchmesser der Apertur größer als der Durchmesser der Durchkontaktierung. Der elektrisch leitende Bereich kann entlang der Stapelrichtung überlappend mit der Durchkontaktierung angeordnet sein. Vorteilhafterweise ist mittels der Apertur eine Stromeinschnürung innerhalb des Schichtenstapels, insbesondere innerhalb des aktiven Bereichs, von einer dem Träger abgewandten Seite des Schichtenstapels her möglich. Vorteilhafterweise ist die Apertur an einer von dem Träger abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet, sodass die Apertur nicht innerhalb des Entwärmungspfads des Halbleiterlaserchips liegt.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind die Schichten des Schichtenstapels einfach zusammenhängend ausgebildet und die elektrische Leitfähigkeit der Schichten entlang der Schichtenebene ist jeweils konstant. Beispielsweise sind die Schichten des Schichtenstapels entlang der Schichtenebene durchgehend mit dem gleichen Material gebildet, insbesondere bestehen die Schichten entlang der Schichtenebene jeweils durchgehend aus dem gleichen Material. Insbesondere ist der Schichtenstapel frei von Blendenstrukturen, mittels denen das Profil der Stromdichte eingeschnürt wird. Insbesondere sind zwischen dem aktiven Bereich und dem Rückseitenkontakt keine Blendenstrukturen angeordnet. Vorteilhafterweise weist der Schichtenstapel entlang der Schichtenebene eine homogene elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit auf, wodurch ein besonders zuverlässiges Entwärmen des Schichtenstapels möglich ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist an einer von dem Träger abgewandten Seite des Schichtenstapels eine zweite Isolationsschicht angeordnet, wobei die zweite Isolationsschicht ringförmig ausgebildet ist. Insbesondere weist die zweite Isolationsschicht entlang der Schichtenebene die Form einer Apertur auf. Beispielsweise schnürt die zweite Isolationsschicht den Strom innerhalb des Schichtenstapels von einer dem Träger abgewandten Seite her ein. Die zweite Isolationsschicht kann auf einer von dem aktiven Bereich abgewandten Seite des zweiten Bragg-Spiegels angeordnet sein. Die zweite Isolationsschicht ist beispielsweise mit Siliziumoxid gebildet. Beispielsweise wird der zweite Bragg-Spiegel im Zentrum der ringförmigen zweiten Isolationsschicht mit einer ersten Teilschicht des Vorderseitenkontakts elektrisch kontaktiert. Die erste Teilschicht kann mit einem transparenten elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem transparenten leitfähigen Oxid, insbesondere Indium Zinnoxid (englische Abkürzung: ITO), gebildet sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst der oberflächenemittierende Halbleiterlaser eine Vielzahl von Schichtenstapeln, die entlang der Schichtenebene nebeneinander auf dem Träger angeordnet sind, wobei den Schichtenstapeln jeweils eine Durchkontaktierung zugeordnet ist und die Durchkontaktierung entlang der Stapelrichtung überlappend mit dem der Durchkontaktierung zugeordneten Schichtenstapel angeordnet ist. Beispielsweise sind die Schichtenstapel in Form eines Arrays entlang den Knotenpunkten eines imaginären regelmäßigen Rechteckgitters nebeneinander angeordnet. Die Schichtenstapel sind beispielsweise mittels eines gleichen Herstellungsverfahrens gemeinsam hergestellt. Manche Schichten unterschiedlicher Schichtenstapel sind beispielsweise miteinander zusammenhängend ausgebildet. Alternativ können die Schichtenstapel beabstandet voneinander angeordnet und nicht zusammenhängend ausgebildet sein.
  • Die Schichtenstapel sind beispielsweise jeweils separat mittels der den Schichtenstapeln zugeordneten Durchkontaktierung elektrisch leitend kontaktierbar. Jede Durchkontaktierung kann unabhängig von weiteren Durchkontaktierungen separat bestromt werden, sodass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen pixelierten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser bildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der Rückseitenkontakt entlang der Schichtenebene vollständig von einer ersten Isolationsschicht umgeben. Beispielsweise ist mittels der ersten Isolationsschicht der Grundkörper elektrisch von dem Schichtenstapel isoliert. Insbesondere grenzt die erste Isolationsschicht einerseits direkt an den Grundkörper und andererseits direkt an den Schichtenstapel. Weiter können mittels der ersten Isolationsschicht Rückseitenkontakte unterschiedlicher Schichtenstapel voneinander isoliert sein.
  • Beispielsweise ist die erste Isolationsschicht entlang der Stapelrichtung nicht überlappend mit der Durchkontaktierung angeordnet. Dann verursacht die erste Isolationsschicht keine weitere Stromeinschnürung im Schichtenstapel. Beispielsweise weist die Isolationsschicht im Bereich der Durchkontaktierung eine Öffnung auf. Beispielsweise ist Querschnittsfläche zumindest genau so groß wie die Querschnittfläche der Durchkontaktierung an ihrer dem Schichtenstapel zugewandten Seite. Insbesondere sind die Querschnittsform der Öffnung und der Durchkontaktierung im mathematischen Sinne ähnlich. Ähnlich im mathematischen Sinne heißt, dass die Querschnittsformen durch Ähnlichkeitsabbildungen, wie beispielsweise zentrische Streckungen und Kongruenzabbildungen, also Verschiebungen, Drehungen, Spiegelungen, ineinander überführbar sind. Die erste Isolationsschicht ist beispielsweise mit Siliziumoxid oder einem isolierenden keramischen Material gebildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist an einer von dem Träger abgewandten Seite des Schichtenstapels ein dritter Bragg-Spiegel angeordnet, wobei der dritte Bragg-Spiegel entlang der Stapelrichtung vollständig mit der Durchkontaktierung überlappt. Entlang der Stapelrichtung ist der dritte Bragg-Spiegel beispielsweise vollständig überlappend mit dem aktiven Volumen angeordnet. Insbesondere bildet der dritte Bragg-Spiegel zumindest einen Teil der Reflektoren des Resonators. Der dritte Bragg-Spiegel kann entlang der Schichtenebene eine geringere Querschnittsfläche als der aktive Bereich aufweisen. Beispielsweise überragt der aktive Bereich den dritten Bragg-Spiegel entlang aller Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung. Insbesondere ist mittels der Ausdehnung des dritten Bragg-Spiegels entlang der Schichtenebene die Reflektivität des Reflektors an einer von dem Träger abgewandten Seite des Schichtenstapels vorgebbar, wodurch beispielsweise die optischen Moden des Halbleiterlaserchips vorgebbar sind.
  • Der dritte Bragg-Spiegel ist beispielsweise auf einer von dem aktiven Bereich abgewandten Seite des Vorderseitenkontakts angeordnet. Der dritte Bragg-Spiegel kann mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet sein. Vorteilhafterweise ist somit ein besonders geringer Kontaktwiderstand des Vorderseitenkontakts zum aktiven Bereich erreichbar, da der zweite Bragg-Spiegel besonders dünn beziehungsweise mit besonders wenigen Schichten ausgebildet sein kann.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ergeben sich aus den folgenden, im Zusammenhang mit den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen.
  • Es zeigen die 1, 2, 3, 4 und 5 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen oberflächenemittierender Halbleiterlaser.
  • Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
  • Die 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines hier beschriebenen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips 1 gemäß eines Ausführungsbeispiels. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip 1 umfasst einen Träger 20, einen auf dem Träger 20 angeordneten Schichtenstapel 10 mit einer senkrecht zur Stapelrichtung R verlaufenden Schichtenebene 11, einem Vorderseitenkontakt 310 und einem Rückseitenkontakt 320, bei dem im Betrieb vermittels Stromeinschnürung im Schichtenstapel 10 eine vorgegebene Verteilung einer Stromdichte I erzielt wird, wobei im Träger 20 eine elektrische Durchkontaktierung 200 vorgesehen ist. Die Durchkontaktierung 200 erstreckt sich von einer von dem Schichtenstapel 10 abgewandten Bodenfläche 20a des Trägers 20 bis zu einer dem Schichtenstapel 10 zugewandten Fläche des Trägers 20. Die Verteilung der Stromdichte I ist durch die Form und die Größe des Querschnitts der Durchkontaktierung 200 parallel zur Schichtenebene L definiert.
  • Der Halbleiterlaserchip 1 bildet einen gewinngeführten Halbleiterlaser, bei dem mittels der Stromeinschnürung die Verteilung der Stromdichte I im aktiven Bereich 103 vorgegeben ist. Die Verteilung der Stromdichte I gibt die Form und die Querschnittsfläche des aktiven Volumens 103a vor. Das aktive Volumen 103a ist der Teil des aktiven Bereichs 103, in welchem im bestimmungsgemäßen Betrieb eine Besetzungsinversion vorliegt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das aktive Volumen nicht mittels elektrisch isolierender Blenden gebildet. Insbesondere sind die Schichten des Schichtenstapels 10 einfach zusammenhängend ausgebildet und die elektrische Leitfähigkeit der Schichten entlang der Schichtenebene L ist jeweils konstant.
  • Der Träger 20 umfasst einen Grundkörper 203, der beispielsweise mit Silizium gebildet ist, insbesondere aus Silizium besteht. Die Durchkontaktierung 200 ist lateral, sprich in allen Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung R von einer Beschichtung 201 umgeben, welche die Durchkontaktierung 200 von dem Grundkörper 203 elektrisch isoliert. Die Durchkontaktierung 200 weist eine höhere thermische Leitfähigkeit als der Grundkörper 203 auf. Beispielsweise ist die Durchkontaktierung mit Kupfer und der Grundkörper mit Silizium gebildet. Beispielsweise weist die Durchkontaktierung eine thermische Leitfähigkeit von zumindest 300 Watt pro Meter Kelvin auf und der Grundkörper weist eine thermische Leitfähigkeit von maximal 200 Watt pro Meter Kelvin auf.
  • Die Länge T der Durchkontaktierung 200 durch den Träger 20 hindurch ist zumindest zehnmal größer als der mittlere Durchmesser D der Durchkontaktierung 200 parallel zur Bodenfläche 20a. Beispielsweise beträgt der Durchmesser D maximal 10 µm und die Länge T zumindest 100 µm.
  • An einer dem Schichtenstapel 10 zugewandten Seite des Trägers 20 ist der Rückseitenkontakt 320 angeordnet. Der Rückseitenkontakt 320 umfasst eine Kontaktschicht 322 und eine erste Isolationsschicht 321. Die Kontaktschicht 322 ist mit einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise mit einem Lot, bevorzugt metallischen Lot, alternativ mit einem transparenten elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem transparenten leitfähigen Oxid (englische Abkürzung: TCO), gebildet. Insbesondere sind der Schichtenstapel 10 und der Träger 20 ausschließlich mittels des Rückseitenkontakts mechanisch und elektrisch miteinander verbunden. Der Rückseitenkontakt 320 ist zwischen dem Schichtenstapel 10 und dem Träger 20 angeordnet und grenzt einerseits unmittelbar an den Schichtenstapel 10 und andererseits unmittelbar an die Durchkontaktierung 200 an.
  • Der Schichtenstapel umfasst einen aktiven Bereich 103, einen ersten Bragg-Spiegel 101 und einen zweiten Bragg-Spiegel 102. Der erste 101 und der zweite 102 Bragg-Spiegel sind dazu eingerichtet, im aktiven Bereich 103 erzeugte elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise zu reflektieren. Beispielsweise weisen der erste 101 und/oder zweite 102 Bragg-Spiegel jeweils zumindest eine Reflektivität von 80 %, insbesondere 90 %, für im aktiven Volumen 103a erzeugte elektromagnetische Strahlung auf.
  • An einer dem Rückseitenkontakt 310 abgewandten Seite des Schichtenstapels 10 ist der Vorderseitenkontakt 310 angeordnet. Der Vorderseitenkontakt 310 umfasst eine zweite Isolationsschicht 311, eine erste Teilschicht 312 und eine zweite Teilschicht 313. Die erste Teilschicht 312 und die zweite Teilschicht 313 sind mit einem elektrisch leitenden Material gebildet. Insbesondere ist die erste Teilschicht 312 mit einem transparenten elektrisch leitenden Material, beispielsweise TCO, gebildet. Die zweite Teilschicht 313 kann beispielsweise mit einem Metall gebildet sein.
  • Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird eine elektrische Potentialdifferenz zwischen dem Vorderseitenkontakt 310 und dem Rückseitenkontakt 320 angelegt, sodass im aktiven Bereich 103 elektromagnetische Strahlung erzeugt wird. Die Stromeinschnürung gibt die Verteilung der Stromdichte I entlang der Schichtenebene L vor, sodass ausschließlich in einem aktiven Volumen 103a elektromagnetische Strahlung erzeugt wird. Das aktive Volumen 103a ist entlang der Stapelrichtung R überlappend mit der Durchkontaktierung 200 und einem dritten Bragg-Spiegel 330 angeordnet. Die Stromeinschnürung wird über die Form und die Größe des Querschnitts der Durchkontaktierung 200 parallel zur Schichtenebene L definiert.
  • An einer von dem Träger 20 abgewandten Seite des Schichtenstapels 10 ist eine zweite Isolationsschicht 311 angeordnet, wobei die zweite Isolationsschicht 311 ringförmig ausgebildet ist. Die zweite Isolationsschicht 311 ist beispielsweise zur Stromeinschnürung vom aktiven Bereich 103 zu einer dem Träger 20 abgewandten Seite des Schichtenstapels 10 hin eingerichtet. Insbesondere ist mittels eines Innendurchmessers der ringförmigen zweiten Isolationsschicht 311 die Verteilung der Stromdichte zwischen dem aktiven Bereich 103 und dem zweiten Bragg-Spiegel 102 vorgebbar.
  • An einer von dem Träger 20 abgewandten Seite des Schichtenstapels 10 ist der dritte Bragg-Spiegel 330 angeordnet, wobei der dritte Bragg-Spiegel 330 entlang der Stapelrichtung R mit der Durchkontaktierung 200 überlappt. Der dritte Bragg-Spiegel 330 ist an einer von dem aktiven Bereich 103 abgewandten Seite des Vorderseitenkontakts 310 angeordnet. Insbesondere weist der dritte Bragg-Spiegel 330 entlang der Schichtenebene L eine geringere Ausdehnung als der erste Bragg-Spiegel 101, der zweite Bragg-Spiegel 102 und der aktive Bereich 103 auf.
  • Die 2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 1 gemäß einer Ausführungsform. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser 1 umfasst eine Vielzahl von Schichtenstapeln 10, die entlang der Schichtenebene L nebeneinander auf dem Träger 20 angeordnet sind, wobei den Schichtenstapeln 10 jeweils eine Durchkontaktierung 200 zugeordnet ist und die Durchkontaktierungen 200 entlang der Stapelrichtung R überlappend mit dem der Durchkontaktierung 200 zugeordneten Schichtenstapel 10 angeordnet ist.
  • Die Schichtenstapel 10 sind beispielsweise in Form eines Arrays an den Knotenpunkten eines imaginären regelmäßigen Rechteckgitters nebeneinander angeordnet. Die Schichtenstapel 10 sind mittels eines gleichen Herstellungsverfahrens gemeinsam hergestellt. Der erste Bragg-Spiegel 101 der nebeneinander angeordneten Schichtenstapel 10 ist zusammenhängend ausgebildet. Die Kontaktschichten 322, mittels denen Durchkontaktierungen 200 und Schichtenstapel 10 elektrisch leitend miteinander verbunden sind, sind mittels der ersten Isolationsschicht 321 voneinander elektrisch isoliert.
  • Die Schichtenstapel 10 sind jeweils separat mittels der den Schichtenstapeln 10 zugeordneten Durchkontaktierung 200 elektrisch leitend kontaktierbar. Insbesondere ist jede Durchkontaktierung 200 unabhängig von weiteren Durchkontaktierungen 200 separat bestrombar, sodass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser 1 einen pixelierten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser bildet.
  • Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die Kontaktschicht 322 entlang allen Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung R, sprich lateral, vollständig von der ersten Isolationsschicht 321 umgeben. Mittels der ersten Isolationsschicht 321 ist der Grundkörper 203 elektrisch von dem Schichtenstapel 10 isoliert. Im bestimmungsgemäßen Betrieb fließt der elektrische Strom zum Betreiben des Halbleiterlaserchips 1 nicht durch das Material des Grundkörpers 203, sondern ausschließlich durch das Material der Durchkontaktierung 200.
  • Die 3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Teilschicht 313 des Vorderseitenkontakts 310 ringförmig ausgebildet, wobei im Zentrum der zweiten Teilschicht 313 der dritte Bragg-Spiegel 330 angeordnet ist. Im Unterschied zu dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Vorderseitenkontakt 310 frei von einer zweiten Isolationsschicht 311, mittels der die Verteilung der Stromdichte I im aktiven Bereich vorgegeben wird. Vielmehr wird die Verteilung der Stromdichte I mittels der Form und Querschnittsfläche der zweiten Teilschicht 313 entlang der Schichtebene L und mittels der Form und der Querschnittfläche der Durchkontaktierung 200 entlang der Schichtebene L vorgegeben.
  • Die 4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips gemäß einer Ausführungsform. Im Unterschied zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Halbleiterlaserchip 1 keinen dritten Bragg-Spiegel 330 auf. Weiter ist der Vorderseitenkontakt 310 ausschließlich mit einer zweiten Teilschicht 313 gebildet. Die zweite Teilschicht 313 steht in unmittelbarem Kontakt mit dem zweiten Bragg-Spiegel 102. Die zweite Teilschicht 313 ist ringförmig ausgebildet, sodass im bestimmungsgemäßen Betrieb durch das Zentrum der ringförmig ausgebildeten zweiten Teilschicht 313 im aktiven Bereich 103 erzeugte Laserstrahlung emittiert wird.
  • Die 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines oberflächenemittierenden Halbleiterchips 1. Bei dem oberflächenemittierenden Halbleiterchip 1 umfasst eine Schicht des zweiten Bragg-Spiegels 102 eine elektrisch isolierende Apertur 102b, die einen elektrisch leitenden Bereich 102a begrenzt. Mittels der elektrisch isolierenden Apertur 102b wird beispielsweise die Verteilung der Stromdichte I im aktiven Bereich 103 von einer dem Träger 20 abgewandten Seite des aktiven Bereichs 103 her vorgegeben. Weiter überragt der aktive Bereich 103 die Schichten des zweiten Bragg-Spiegels 102 in allen Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung R. Insbesondere wird die elektrisch isolierende Apertur 102b mit einer oxidierten Form des Materials des elektrisch leitenden Bereichs 102a gebildet. Beispielsweise ist zum Oxidieren des Materials von der Seitenfläche 102c her Sauerstoff in den zweiten Bragg-Spiegel 102 eingebracht worden. Die elektrisch isolierende Apertur 102b ist beispielsweise mit einem Aluminiumoxid gebildet.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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
    oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip
    10
    Schichtenstapel
    101
    erster Bragg-Spiegel
    102
    zweiter Bragg-Spiegel
    102a
    elektrisch leitender Bereich
    102b
    Apertur
    102c
    Seitenfläche
    103
    aktiver Bereich
    103a
    aktives Volumen
    20
    Träger
    20a
    Bodenfläche
    200
    Durchkontaktierung
    201
    Beschichtung
    202
    leitendes Material
    203
    Grundkörper
    210
    erste Isolationsschicht
    230
    Bondschicht
    300
    elektischer Kontakt
    301
    erste Kontaktstruktur
    302
    zweite Kontaktstruktur
    310
    Vorderseitenkontakt
    311
    zweite Isolationsschicht
    312
    erste Teilschicht
    313
    zweite Teilschicht
    320
    Rückseitenkontakt
    321
    erste Isolationsschicht
    322
    Kontaktschicht
    330
    dritter Bragg-Spiegel
    L
    Schichtenebene
    R
    Stapelrichtung
    T
    Dicke der Durchkontaktierung
    D
    Durchmesser der Durchkontaktierung
    I
    Stromdichte
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10026262 B4 [0001]
    • WO 03/065420 A2 [0004]

Claims (13)

  1. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) mit einem Träger (20), einem auf dem Träger (20) angeordneten Schichtenstapel (10) mit einer senkrecht zur Stapelrichtung (R) verlaufenden Schichtenebene (L), einem Vorderseitenkontakt (310) und einem Rückseitenkontakt (320), bei dem im Betrieb vermittels Stromeinschnürung im Schichtenstapel (10) eine vorgegebene Verteilung einer Stromdichte (I) erzielt wird, wobei im Träger (20) eine elektrische Durchkontaktierung (200) vorgesehen ist, welche sich von einer von dem Schichtenstapel (10) abgewandten Bodenfläche (20a) des Trägers (20) bis zu einer dem Schichtenstapel (10) zugewandten Fläche des Trägers (20) erstreckt, und die Verteilung der Stromdichte (I) durch Form und Größe des Querschnitts der Durchkontaktierung (200) parallel zur Schichtenebene (L) an der dem Schichtenstapel zugewandten Fläche maßgeblich beeinflusst ist.
  2. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß dem vorherigen Anspruch, bei dem der Halbleiterlaserchip (1) einen gewinngeführten Halbleiterlaser bildet.
  3. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Rückseitenkontakt (320) zwischen dem Schichtenstapel (10) und dem Träger (20) angeordnet ist, und unmittelbar einerseits an den Schichtenstapel (10) und andererseits an die Durchkontaktierung (200) angrenzt.
  4. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem - der Träger (20) einen Grundkörper (203) umfasst, wobei der Grundkörper (203) mit einem elektrisch leitenden Material gebildet ist, und - die Durchkontaktierung (200) von dem Grundkörper (203) mittels einer elektrisch isolierenden Beschichtung (201) getrennt ist.
  5. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß dem vorherigen Anspruch, bei dem die Durchkontaktierung (200) eine höhere thermische Leitfähigkeit als der Grundkörper (203) aufweist.
  6. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Länge (T) der Durchkontaktierung (200) durch den Träger (200) hindurch zumindest zehnmal größer ist als der mittlere Durchmesser (D) der Durchkontaktierung (200) parallel zur Bodenfläche (20a) .
  7. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem - der Schichtenstapel (10) einen aktiven Bereich (103) zwischen einem ersten Bragg-Spiegel (101) und einem zweiten Bragg-Spiegel (102) umfasst, - der zweite Bragg-Spiegel (102) an einer von dem Träger (20) abgewandten Seite des aktiven Bereichs (103) angeordnet ist, und - der aktive Bereich (103) zumindest manche Schichten des zweiten Bragg-Spiegels (102) in Richtung senkrecht zur Stapelrichtung (R) vollständig überragt.
  8. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß dem vorherigen Anspruch, bei dem eine Schicht des zweiten Bragg-Spiegels (102) eine elektrisch isolierende Apertur (102b) umfasst, die einen elektrisch leitenden Bereich (102a) entlang der Schichtenebene (L) begrenzt.
  9. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem - die Schichten des Schichtenstapels (10) einfach zusammenhängend ausgebildet sind, und - die elektrische Leitfähigkeit der Schichten entlang der Schichtenebene (L) jeweils konstant ist.
  10. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem - an einer von dem Träger (20) abgewandten Seite des Schichtenstapels (10) eine zweite Isolationsschicht (311) angeordnet ist, wobei - die zweite Isolationsschicht (311) ringförmig ausgebildet ist.
  11. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, mit einer Vielzahl von Schichtenstapeln, bei dem - die Schichtenstapel entlang der Schichtenebene nebeneinander auf dem Träger angeordnet sind, wobei den Schichtenstapeln jeweils eine Durchkontaktierung zugeordnet ist, und - die Durchkontaktierung entlang der Stapelrichtung jeweils überlappend mit dem der Durchkontaktierung zugeordneten Schichtenstapel angeordnet ist.
  12. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß dem vorherigen Anspruch, bei dem der Rückseitenkontakt (320) in allen Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung (R) vollständig von einer ersten Isolationsschicht (321) umgeben ist.
  13. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem an einer von dem Träger (20) abgewandten Seite des Schichtenstapels (10) ein dritter Bragg-Spiegel (330) angeordnet ist, wobei der dritte Bragg-Spiegel (330) entlang der Stapelrichtung (R) vollständig mit der Durchkontaktierung (200) überlappt.
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