DE102018118694A1 - Laserdiodenchip - Google Patents

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Michael Roth
Tomasz Swietlik
Clemens Vierheilig
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    • H01S5/223—Buried stripe structure
    • H01S5/2231—Buried stripe structure with inner confining structure only between the active layer and the upper electrode

Abstract

Es wird ein Laserdiodenchip beschrieben, umfassend- einen n-Typ Halbleiterbereich (3), einen p-Typ Halbleiterbereich (5) und eine zwischen dem n-Typ Halbleiterbereich (3) und dem p-Typ Halbleiterbereich (5) angeordnete aktive Schicht (4),einen n-Kontakt (9) und einen p-Kontakt (8),- mindestens ein Heizelement (14), das an einer dem p-Typ Halbleiterbereich (5) zugewandten Seite des Laserdiodenchips angeordnet sind, wobei das Heizelement (14) als Widerstandsheizung fungiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Laserdiodenchip, der sich insbesondere durch eine verbesserte Stabilität der Emissionswellenlänge auszeichnet.
  • Laserdiodenchips haben normalerweise eine temperaturabhängige Emissionswellenlänge. Weiterhin kann eine produktionsbedingte Streuung der Emissionswellenlänge bei einer gegebenen Temperatur auftreten. Dies kann speziell für Anwendungen in der Messtechnik unerwünscht sein, wenn z.B. durch spektral schmalbandige Filter Umgebungslicht ausgefiltert werden soll, um das Signal/Rauschverhältnis des Messwerts zu erhöhen. Bei Verwendung dieser schmalbandigen Filter besteht die Gefahr, dass die Wellenlänge des Laserlichts zumindest bei gewissen Temperaturen außerhalb des Transmissionsfensters des Filters liegt und daher das Licht den Detektor nicht erreichen kann. Diese Gefahr ist insbesondere dann groß, wenn der Laserdiodenchip z.B. anwendungsbedingt nicht in einer temperaturkontrollierten Umgebung eingesetzt werden kann, oder wenn der Laser bei unterschiedlichen Leistungen (und damit auch unterschiedlich starker Eigenerwärmung) betrieben werden soll.
  • Eine mögliche Lösung ist eine Temperierung der Umgebung des Lasers. Allerdings muss dafür eine größere Masse geheizt werden, was hohe (Spitzen-)Heizleistungen erfordert, insbesondere wenn die Zielwellenlänge in kurzer Zeit erreicht werden soll. Außerdem ist es bei großem beheizten Massen schwierig, die Temperatur stabil auf dem Zielwert zu halten, da sowohl die Eigenerwärmung des Lasers im Betrieb als auch ggf. schnelle Änderungen der Außentemperatur kompensiert werden müssen.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen verbesserten Laserdiodenchip anzugeben, der sich insbesondere durch eine verbesserte Stabilität der Emissionswellenlänge auszeichnet.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Laserdiodenchip gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Der Laserdiodenchip umfasst gemäß zumindest einer Ausführungsform einen n-Typ Halbleiterbereich, einen p-Typ Halbleiterbereich und eine zwischen dem n-Typ Halbleiterbereich und dem p-Typ Halbleiterbereich angeordnete aktive Schicht. Der n-Typ Halbleiterbereich, der p-Typ Halbleiterbereich und/oder die aktive Schicht können jeweils eine oder mehrere Halbleiterschichten umfassen. Der Laserdiodenchip weist beispielsweise einen p-Kontakt zur elektrischen Kontaktierung des p-Typ Halbleiterbereichs und einen n-Kontakt zur elektrischen Kontaktierung des n-Typ Halbleiterbereichs auf. Der p-Kontakt und/oder der n-Kontakt können insbesondere ein Metall, eine Metalllegierung und/oder eine Schicht aus einem transparenten leitfähigen Oxid aufweisen.
  • Der Laserdiodenchip kann insbesondere ein III-V-Halbleitermaterial aufweisen. In Abhängigkeit von der Emissionswellenlänge kann das Halbleitermaterial beispielsweise ein Arsenidverbindungshalbleitermaterial, ein Phosphidverbindungshalbleitermaterial oder ein Nitridverbindungshalbleitermaterial sein.
  • Der Laserdiodenchip umfasst gemäß zumindest einer Ausführungsform ein Heizelement, das vorzugsweise an einer dem p-Typ Halbleiterbereich zugewandten Seite des Laserdiodenchips angeordnet ist. Insbesondere folgt das Heizelement von der aktiven Schicht aus gesehen dem p-Typ Halbleiterbereich nach. Das Heizelement kann beispielsweise unmittelbar auf dem p-Typ Halbleiterbereich oder vorzugsweise auf einer elektrisch isolierenden Schicht, die auf dem p-Typ Halbleiterbereich angeordnet ist, angeordnet sein.
  • Dass eine Schicht oder ein Element „auf“ oder „über“ einer anderen Schicht oder einem anderen Element angeordnet oder aufgebracht ist, kann hier und im Folgenden bedeuten, dass die Schicht oder das Element unmittelbar in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt auf der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Weiterhin kann es auch bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element mittelbar auf beziehungsweise über der anderen Schicht oder dem anderen Element angeordnet ist. Dabei können dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen und der anderen Schicht beziehungsweise zwischen dem einen und dem anderen Element angeordnet sein.
  • Dass eine Schicht oder ein Element „zwischen“ zwei anderen Schichten oder Elementen angeordnet ist, kann hier und im Folgenden bedeuten, dass die eine Schicht oder das eine Element unmittelbar in direktem mechanischem und/oder elektrischem Kontakt oder in mittelbarem Kontakt zur einen der zwei anderen Schichten oder Elemente und in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt oder in mittelbarem Kontakt zur anderen der zwei anderen Schichten oder Elemente angeordnet ist. Dabei können bei einem mittelbaren Kontakt dann weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der einen und zumindest einer der zwei anderen Schichten beziehungsweise zwischen dem einen und zumindest einem der zwei anderen Elementen angeordnet sein.
  • Das Heizelement ist bevorzugt eine Leiterbahn, die im Betrieb des Laserdiodenchips als Widerstandsheizung fungiert. Insbesondere wird in dem Heizelement elektrische Energie in Wärme umgesetzt und der Laserdiodenchip auf diese Weise gezielt erwärmt. Durch das Heizelement kann der Laserdiodenchip vorteilhaft gezielt auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt werden, bei der der Laserdiodenchip eine vorgegebene Emissionswellenlänge aufweist. Auf diese Weise wird vorteilhaft erreicht, dass der Laserdiodenchip eine stabilisierte Emissionswellenlänge aufweist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Laserdiodenchip auf einer Wärmesenke angeordnet, wobei die aktive Schicht zwischen dem Heizelement und der Wärmesenke angeordnet ist. Mit anderen Worten liegt das Heizelement bei dieser Ausgestaltung von der aktiven Schicht aus gesehen der Wärmesenke gegenüber. Dies ermöglicht eine besonders effiziente Heizung der aktiven Schicht durch das Heizelement, da die Wärmepfade zwischen dem Heizelement und der Wärmesenke in diesem Fall durch aktive Schicht verlaufen und vorteilhaft keine parasitären Wärmepfade existieren. Bei dieser Ausgestaltung ist insbesondere der n-Typ Halbleiterbereich des Laserdiodenchips der Wärmesenke zugewandt, beispielsweise kann der n-Typ Halbleiterbereich mittels einer Verbindungschicht wie zum Beispiel einer Lotschicht mit der Wärmesenke verbunden sein. Das Heizelement ist in diesem Fall insbesondere an der dem Umgebungsmedium zugewandten Seite des Laserdiodenchips angeordnet. Die Wärmesenke ist vorteilhaft aus einem thermisch gut leitenden Material wie zum Beispiel Kupfer gebildet.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weisen das Heizelement und der p-Kontakt des Laserdiodenchips das gleiche Material auf. Der Herstellungsaufwand des Heizelements ist in diesem Fall vorteilhaft gering, da keine Schicht aus einem zusätzlichen Material aufgebracht werden muss. Insbesondere kann zur Herstellung des Heizelements das gleiche Beschichtungsverfahren und/oder das gleiche Strukturierungsverfahren eingesetzt werden wie zur Herstellung des p-Kontakts. Vorzugsweise weist das Heizelement zumindest eines der Metalle Gold, Titan, Platin und Palladium auf.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Heizelement nicht zur Injektion eines Betriebsstroms in die aktive Schicht des Laserdiodenchips vorgesehen. Hierdurch unterscheidet sich das Heizelement insbesondere von dem p-Kontakt des Laserdiodenchips, der aus dem gleichen Material wie das Heizelement bestehen kann.
  • Das Heizelement ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung mit elektrischen Kontakten verbunden, die nicht mit einem p-Kontakt oder einem n-Kontakt des Laserdiodenchips verbunden sind. Die Stromkreise für das Heizelement und den Laserdiodenchip sind in diesem Fall vollständig getrennt. Der Stromfluss durch das Heizelement kann somit unabhängig vom Stromfluss durch die aktive Schicht geregelt werden.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform weist das Heizelement einen gemeinsamen Kontakt mit dem Laserdiodenchip auf. Der gemeinsame Kontakt ist vorzugsweise der p-Kontakt des Laserdiodenchips. Dieser gemeinsame Kontakt kann verwendet werden, um den Stromfluss durch den Laserdiodenchip und das Heizelement unabhängig voneinander zu regeln, wenn der Laserdiodenchip und das Heizelement gleichzeitig betrieben werden. Zur Vereinfachung der Regelung ist es auch möglich, den Laserdiodenchip und das Heizelement nur abwechselnd und nicht gleichzeitig zu betreiben.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Heizelement über einem p-Kontakt des Laserdiodenchips angeordnet, wobei zwischen dem Heizelement und dem p-Kontakt eine Passivierungsschicht, beispielsweise eine Siliziumoxidschicht oder eine Siliziumnitridschicht, angeordnet ist.
  • Bei einer Ausgestaltung weist der Laserdiodenchip einen Rippenwellenleiter (Ridge) auf, wobei das Heizelement parallel zum Rippenwellenleiter angeordnet ist. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, den durch den Rippenwellenleiter definierten optisch aktiven Bereich gleichmäßig zu beheizen. Vorzugsweise entspricht die Länge des Heizelements im Wesentlichen der Länge des Rippenwellenleiters.
  • Bei einer Ausgestaltung ist der p-Typ Halbleiterbereich bereichsweise mit einer Passivierungsschicht bedeckt, wobei das Heizelement auf der Passivierungsschicht angeordnet ist. In diesem Fall ist das Heizelement vorteilhaft nur durch die Passivierungsschicht von dem p-Typ Halbleiterbereich getrennt, so dass das Halbleitermaterial effektiv beheizt werden kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Heizelement zumindest bereichsweise durch eine metallische Anwachsschicht (engl. seed layer) gebildet. Die metallische Anwachsschicht kann Bereiche aufweisen, die zur Abscheidung des p-Kontakts vorgesehen sind. Mit Vorteil ist das Heizelement bei dieser Ausgestaltung durch einen Bereich der Anwachsschicht gebildet, wobei die Anwachsschicht ohnehin zur Herstellung des p-Kontakts auf die Halbleiterschichtenfolge des Laserdiodenchips aufgebracht und strukturiert wird. Der Herstellungsaufwand zur Herstellung des Heizelements ist deshalb vorteilhaft gering. Die Anwachsschicht kann eine oder mehrere metallische Schichten, beispielsweise eine Ti/Pd/Au-Schichtenfolge oder eine Ti/Pt/Au-Schichtenfolge aufweisen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Heizelement zumindest bereichsweise eine galvanische Schicht. Bei dieser Ausgestaltung wird das Heizelement vorteilhaft durch eine galvanische Abscheidung hergestellt. Es wird somit vorteilhaft ein Prozess zur Herstellung des Heizelements verwendet, der vorteilhaft auch zur Herstellung des p-Kontakts des Laserdiodenchips verwendet wird. Dadurch vermindert sich der Herstellungsaufwand vorteilhaft.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Strompfad durch den p-Typ Halbleiterbereich zwischen dem Heizelement und dem p-Kontakt des Laserdiodenchips ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung kann der Heizstrom über einen Heizkontakt, der mit dem p-Typ Halbleiterbereich elektrisch leitend verbunden ist, zugeführt werden und fließt von dort zum p-Kontakt. Auf diese Weise wird in dem p-Typ Halbleiterbereich ein zusätzlicher Strompfad erzeugt, der nicht zum n-Kontakt führt. Durch den Stromfluss entlang dieses Strompfads erwärmt sich das Halbleitermaterial, so dass der p-Typ Halbleiterbereich als Heizelement fungiert. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass das Halbleitermaterial selbst direkt geheizt wird. Vorzugsweise werden der Laserdiodenchip und das Heizelement bei dieser Ausgestaltung nicht gleichzeitig betrieben. Der Laserdiodenchip und das Heizelement können beispielsweise abwechselnd betrieben werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Heizelement an eine Steuervorrichtung angeschlossen, die dazu eingerichtet ist, die Heizleistung des Heizelements zu regeln. Die Steuervorrichtung kann insbesondere einen Stromfluss durch das Heizelement regeln, um auf diese Weise die Heizleistung einzustellen. Die Steuervorrichtung kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die Heizleistung derart zu regeln, dass die Emissionswellenlänge des Laserdiodenchips innerhalb einer vorgegebenen Toleranz in einem Sollwertbereich liegt.
  • Die Regelung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zumindest ein Teil der emittierten Strahlung auf ein optisches Filter gelenkt wird, das bei der gewünschten Emissionswellenlänge ein Transmissionsfenster aufweist. Die Heizleistung des Heizelements kann in diesem Fall derart geregelt werden, dass ein Detektorelement hinter dem optischen Filter eine maximale Intensität detektiert. Wenn sich die Wellenlänge der emittierten Strahlung ändert, kann die Heizleistung derart geregelt werden, dass die von dem Detektorelement detektierte Intensität maximiert wird.
  • Der Laserdiodenchip wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 8 näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1A eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch den Laserdiodenchip gemäß einem ersten Beispiel,
    • 1B eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht eines Laserdiodenchips gemäß dem ersten Beispiel,
    • 1C eine Detailansicht des Laserdiodenchips gemäß dem ersten Beispiel,
    • 2A und 2B jeweils beispielhafte Darstellungen der Stromkreise des Heizelements und des Laserdiodenchips,
    • 3A eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch den Laserdiodenchip gemäß einem zweiten Beispiel,
    • 3B eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht eines Laserdiodenchips gemäß dem zweiten Beispiel,
    • 3C eine Detailansicht des Laserdiodenchips gemäß dem zweiten Beispiel,
    • 3D eine weitere Detailansicht des Laserdiodenchips gemäß dem zweiten Beispiel,
    • 4A eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch den Laserdiodenchip gemäß einem dritten Beispiel,
    • 4B eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf den Laserdiodenchip gemäß einem vierten Beispiel,
    • 5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch den Laserdiodenchip gemäß einem fünften Beispiel,
    • 6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch den Laserdiodenchip gemäß einem sechsten Beispiel,
    • 7 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch den Laserdiodenchip gemäß einem siebten Beispiel,
    • 8 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch den Laserdiodenchip gemäß einem achten Beispiel.
  • Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
  • In den 1A, 1B und 1C ist ein Ausführungsbeispiel des Laserdiodenchips im Querschnitt, in einer Draufsicht und in einer Detailansicht der Draufsicht dargestellt. Der Laserdiodenchip weist eine Halbleiterschichtenfolge 2 mit einem n-Typ Halbleiterbereich 3, einer aktiven Schicht 4 und einem p-Typ Halbleiterbereich 5 auf.
  • Die aktive Schicht 4 kann zum Beispiel als pn-Übergang, als Doppelheterostruktur, als Einfach-Quantentopfstruktur oder Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildet sein. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst dabei jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (Confinement) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
  • Die Halbleiterschichtenfolge 2 des Laserdiodenchips basiert vorzugsweise auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere auf einem Arsenid-, Nitrid- oder Phosphidverbindungshalbleitermaterial. Beispielsweise kann die Halbleiterschichtenfolge 2 InxAlyGa1-x-yN, InxAlyGa1-x-yP oder InxAlyGa1-x-yAs, jeweils mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1, enthalten. Dabei muss das III-V-Verbindungshalbleitermaterial nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach einer der obigen Formeln aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhalten obige Formeln jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können. Die Materialauswahl erfolgt dabei anhand der gewünschten Emissionswellenlängen des Laserdiodenchips.
  • In dem p-Typ Halbleiterbereich 5 ist ein Rippenwellenleiter 13 (ridge) ausgebildet. Der Rippenwellenleiter 13 kann durch eine Strukturierung des p-Typ Halbleiterbereichs 5, beispielsweise durch ein fotolithografisches Verfahren, hergestellt werden. Zur elektrischen Kontaktierung weist der Laserdiodenchip einen n-Kontakt 9 und einen p-Kontakt 8 auf, die beispielsweise als Metallschichten ausgeführt sind.
  • Der auf dem p-Typ Halbleiterbereich 5 angeordnete p-Kontakt 8 kann beispielsweise eine Goldschicht sein. Der p-Kontakt 8 kann insbesondere durch galvanische Abscheidung auf einer Anwachsschicht 7 hergestellt werden. Die Dicke des p-Kontakts kann beispielsweise zwischen 1 µm und 10 µm, insbesondere etwa 5 µm betragen.
  • Die Anwachsschicht 7 kann beispielsweise eine Titan-Palladium-Gold-Schichtenfolge sein. Die Dicke der Anwachsschicht 7 kann beispielsweise etwa 470 nm betragen. Bei dem Ausführungsbeispiel ist der p-Kontakt 8 nur an der Oberseite des Rippenwellenleiters 13 mit dem p-Typ Halbleiterbereich 5 elektrisch leitend verbunden. Außerhalb des Rippenwellenleiters 13 ist der p-Kontakt 8 durch eine Passivierungsschicht 6 von dem p-Typ Halbleiterbereich 5 elektrisch isoliert.
  • Der Laserdiodenchip weist an einer dem p-Typ Halbleiterbereich 5 zugewandten Seite ein Heizelement 14 auf. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Heizelement 14 als Leiterbahn ausgeführt, die über dem Rippenwellenleiter 13 und dem p-Kontakt 8 angeordnet ist. Das Heizelement 14 ist vorliegend nicht elektrisch leitend mit dem p-Kontakt 8 verbunden, sondern durch eine Passivierungsschicht 12 von dem p-Kontakt 8 isoliert. Die Passivierungsschicht 13 kann beispielsweise eine Oxidschicht oder Nitridschicht sein, insbesondere eine Siliziumoxidschicht oder Siliziumnitridschicht. Das als Leiterbahn ausgeführte Heizelement 14 kann wie der p-Kontakt 8 durch galvanische Abscheidung einer Metallschicht 10 auf einer Anwachsschicht 11 hergestellt werden. Die Metallschicht 10 kann beispielsweise eine Goldschicht sein. Dadurch, dass das Heizelement 14 aus dem gleichen Material wie der p-Kontakt 8 gebildet sein kann und insbesondere mit den gleichem Herstellungsverfahren hergestellt sein kann, kann das Heizelement 14 mit vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand realisiert werden.
  • Wie in der Draufsicht in 1B zu sehen, kann das Heizelement 14 als Leiterbahn ausgeführt sein, deren Länge vorzugsweise im Wesentlichen mit der Länge des Rippenwellenleiters 13 übereinstimmt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die aktive Schicht 4 durch das Heizelement 14 gleichmäßig erwärmt wird. Das Heizelement 14 weist einen Ohmschen Widerstand auf, der sich insbesondere aus der Länge und der Querschnittsfläche des Heizelements 14 ergibt. Der ohmsche Widerstand, und damit die Heizleistung bzw. der Strom-/Spannungs-Arbeitspunkt, kann durch insbesondere durch das Material, die Schichtdicke, die Breite und/oder die Länge des Heizelements 14 eingestellt werden. Die Schichtdicke des Heizelements 14 kann beispielsweise zwischen 1 µm und 10 µm, insbesondere etwa 5 µm, betragen. Die Breite des Heizelements 14 beträgt vorzugsweise zwischen 5 µm und 30 µm.
  • Das Heizelement 14 kann an seinen Enden Kontaktflächen zur elektrischen Kontaktierung aufweisen. Durch Bestromung des Heizelements wird eine Heizleistung erzeugt, durch die die Halbleiterschichtenfolge 2 inklusive der aktiven Schicht 4 erwärmt werden kann. Durch eine Einstellung der Heizleistung kann die temperaturabhängige Emissionswellenlänge des Laserdiodenchips gezielt beeinflusst werden. Hierbei ist es von Vorteil, dass das Heizelement 14 direkt über der Halbleiterschichtenfolge 2 des Laserdiodenchips angeordnet ist, insbesondere also nicht auf einem Träger oder einer Wärmesenke 1 des Laserdiodenchips. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein direkter thermischer Kontakt zur Halbleiterschichtenfolge erzielt werden. Die zu heizende Masse ist deshalb vorteilhaft gering. Mit dem hier beschriebenen Heizelement 14 kann deshalb eine schnelle und effektive Regelung der Temperatur der Halbleiterschichtenfolge und der von der Temperatur abhängigen Emissionswellenlänge erfolgen.
  • Der Laserdiodenchip ist vorteilhaft an dem n-Kontakt 9 mit einer Wärmesenke 1 verbunden. In diesem Fall befindet sich die lichtemittierende aktive Schicht 4 zwischen dem Heizelement 14 und der Wärmesenke 1. Die ermöglicht eine effiziente Heizung der aktiven Schicht 4, da keine parasitären Wärmepfade zwischen dem Heizelement 14 und der Wärmesenke 1 existieren.
  • Zur elektrischen Verschaltung des Heizelements 14 sind grundsätzlich zwei Varianten denkbar, die in den 2A und 2B dargestellt sind. 2A zeigt eine Variante, bei der die Stromkreise für den Laserdiodenchip und das Heizelement 14 komplett getrennt sind. Beispielsweise weist das Heizelement 14 zwei Kontakte h+, h- auf, die von Kontakten p, n des Laserdiodenchips getrennt sind. Das macht die Regelung der Ansteuerung einfach, erfordert aber vier elektrische Kontakte mit entsprechendem Aufwand bei der Kontaktierung. Das zuvor gezeigte Ausführungsbeispiel der 1A bis 1C zeigt eine solche Variante.
  • Wie in 2B dargestellt, kann alternativ ein Kontakt h des Heizelements 14 verbunden sein mit einem Kontakt p des Laserdiodenchip, bevorzugt dem p-Kontakt. Dieser gemeinsame Kontakt kann verwendet werden, um den Stromfluss durch den Laserdiodenchip und das Heizelement 14 unabhängig voneinander zu regeln, wenn der Laserdiodenchip und das Heizelement 14 gleichzeitig betrieben werden. Zur Vereinfachung der Regelung ist es auch denkbar, den Laserdiodenchip und das Heizelement 14 nur abwechselnd und nicht gleichzeitig zu betreiben.
  • Ein Ausführungsbeispiel des Laserdiodenchips, bei dem das Heizelement 14 und der Laserdiodenchip einen gemeinsamen Kontakt aufweisen, ist in den 3A bis 3D gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Heizelement 14 ein als Leiterbahn ausgeführter Teil einer Metallschicht 8, 10, die insbesondere Gold aufweisen kann. Die Metallschicht 8, 10 bildet bei diesem Beispiel sowohl das Heizelement 14 als auch den p-Kontakt 8 aus. Dies hat den Vorteil, dass zur Herstellung des Heizelements 14 keine weiteren Schichten aufgebracht werden müssen und somit der Herstellungsaufwand gering ist. 3A zeigt einen Querschnitt durch den Laserdiodenchip. 3B zeigt, wie das Heizelement 14 durch Aussparen der Metallschicht als Leiterbahn ausgeführt wird. Die Detailansicht in 3C zeigt eine Kontaktfläche 14a für das Heizelement 14. Wie in der weiteren Detailansicht in 3D zu sehen, ist ein Ende der Leiterbahn, welche das Heizelement 14 bildet, mit dem p-Kontakt 8 verbunden.
  • 4A zeigt im Querschnitt eine Abwandlung der vorherigen Ausführung. Das Heizelement 14 wird bei diesem Beispiel durch die strukturierte Anwachsschicht 11 gebildet. Da die Anwachsschicht 11 dünner ist und einen höheren spezifischen Widerstand aufweist als die Metallschicht, die den p-Kontakt 8 ausbildet, ist der ohmsche Widerstand bei ansonsten gleichen Dimensionen höher als im Beispiel der 3. Damit lassen sich andere Heizleistungen und/oder andere Strom/Spannungs-Arbeitspunkte realisieren.
  • Die beiden in den Beispielen der 3A und 4A gezeigten Querschnitte lassen sich auch alternierend parallel zur der Längsachse des Rippenwellenleiters 13 anordnen. Ein solches Beispiel ist in 4B schematisch in der Draufsicht gezeigt. Der Querschnitt entlang der Linie AB entspricht bei diesem Beispiel der 4A und der Querschnitt entlang der Linie CD dem Beispiel der 3A. Das Heizelement 14 umfasst in Längsrichtung abwechselnd erste Bereiche, in denen nur die Anwachsschicht 11 vorliegt, und zweite Bereiche, in denen eine zusätzliche Metallschicht 10 auf der Anwachsschicht 11 aufgebracht ist. Die Metallschicht 10 ist beispielsweise eine Goldschicht mit einer Dicke von etwa 1 µm bis 20 µm, insbesondere etwa 5 µm, die vorzugsweise galvanisch hergestellt ist. Die Metallschicht 10 weist insbesondere das gleiche Material auf wie der p-Kontakt 8 und kann gleichzeitig mit dem p-Kontakt 8 hergestellt und strukturiert werden. Durch die ersten Bereiche des Heizelements 14 mit der Metallschicht 10 kann der Strom mit geringerem Widerstand fließen, während in den zweiten Bereichen ohne Metallschicht über der Anwachsschicht 11 der Widerstand höher ist. Das Verhältnis zwischen den ersten Bereichen und den zweiten Bereichen ist ein weiterer Designparameter, mit dem der ohmsche Widerstand des Heizelements 14 eingestellt werden kann.
  • Die 5 und 6 zeigen weitere Abwandlungen der vorherigen Beispiele. Bei diesen Beispielen ist das Heizelement 14 direkt oberhalb des Rippenwellenleiters 13 angeordnet, allerdings im Unterschied zur 1 nicht oberhalb des p-Kontakts 8. Die Zuführung des Betriebsstroms für den Laserdiodenchip erfolgt vom seitlich angeordneten p-Kontakt 8 über die Anwachsschicht 7 zum Rippenwellenleiter 13. Die Anwachsschicht 7 ist bereichsweise von dem p-Typ Halbleiterbereich 5 durch eine Passivierungsschicht 6, beispielsweise eine Siliziumoxidschicht oder eine Siliziumnitridschicht, elektrisch isoliert. Auf dieser Anwachsschicht 7 ist im Bereich des Rippenwellenleiters 13 eine weitere Passivierungsschicht 12 als elektrische Isolation aufgebracht. Auf der Passivierungsschicht 12 ist eine Anwachsschicht 11 angeordnet. Die Anwachsschicht 11 kann beispielsweise Titan, Platin, Palladium und/oder Gold umfassen, insbesondere kann die Anwachsschicht 11 eine Ti-Pd-Au oder Ti-Pt-Au-Schichtenfolge aufweisen.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 5 fungiert die Anwachsschicht 11 selbst als Heizelement 14. Bei diesem Beispiel ist insbesondere keine weitere Metallschicht über der Anwachsschicht angeordnet. Das Heizelement ist vorteilhaft über dem Rippenwellenleiter 13 angeordnet, so dass die Heizleistung besonders effektiv die strahlungsemittierende aktive Schicht erreicht. Das Heizelement 14 ist somit nahe am Rippenwellenleiter 13 und auf der der Wärmesenke 1 abgewandten Seite angeordnet. Im Vergleich zur 1 entfällt die Wärmespreizung durch den p-Kontakt 8 und die damit verbundenen Verluste an Heizleistung. Im Vergleich zu den Beispielen der 3 und 4 entfallen parasitäre Wärmepfade durch das Halbleitermaterial und die damit verbundenen Verluste an Heizleistung.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 6 fungiert die Anwachsschicht 11 mit einer aufgebrachten Metallschicht 10 als Heizelement 14. Die Metallschicht 10 ist beispielsweise eine Goldschicht mit einer Dicke von etwa 1 µm bis 20 µm, insbesondere etwa 5 µm, die vorzugsweise galvanisch hergestellt ist. Die Metallschicht 10 weist insbesondere das gleiche Material auf wie der p-Kontakt 8 und kann gleichzeitig mit dem p-Kontakt 8 hergestellt und strukturiert werden.
  • Wie bei dem vorherigen Beispiel der 4B ist auch bei den Beispielen der 5 und 6 eine in Längsrichtung des Heizelements 14 alternierende Anordnung von ersten Bereichen, in den nur die Anwachsschicht 11 vorliegt, und zweiten Bereichen, in denen eine Metallschicht 10 auf die Anwachsschicht 11 aufgebracht ist, denkbar.
  • 7 zeigt eine weitere Möglichkeit, das Heizelement 14 nahe am Rippenwellenleiter 13 zu platzieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auf die Anwachsschicht 7, die zum Aufwachsen des p-Kontakts 8 dient, eine Passivierungsschicht 12 aufgebracht. Auf der Passivierungsschicht 12 ist eine strukturierte, leitende Anwachsschicht 11 als Heizelement 14 angeordnet. Die Anwachsschicht 11 ist beispielsweise eine Titan-Platin-Gold-Schichtenfolge. Auf diese Weise ausgebildete Heizelemente 14 erstrecken sich beidseitig in die Vertiefung neben dem Rippenwellenleiter 13. Damit wird die Heizleistung näher am Rippenwellenleiter 13 eingebracht als bei der Ausführung nach 4A.
  • Außerdem wird in 7 gezeigt, dass die Heizelemente 14 vorteilhaft beidseitig und symmetrisch zum Rippenwellenleiter 13 angebracht werden können. Der Vorteil ist, dass so eine symmetrische Temperaturverteilung im Rippenwellenleiter 13 erzielt werden kann. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Strahlprofil bzw. die Verteilung der Lasermoden des Laserdiodenchips unsymmetrisch werden. Die symmetrische Anordnung der Heizelemente 14 ist ebenso denkbar bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 3 und 4A.
  • 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Laserdiodenchips. In diesem Beispiel ist das Heizelement 14 nicht eine Struktur der auf das Halbleitermaterial aufgebrachten Schichten, sondern das Halbleitermaterial selbst. Der Heizstrom wird über einen Heizkontakt, insbesondere eine Metallschicht 10, zugeführt und fließt von dort zum p-Kontakt 8. Auf diese Weise wird in dem p-Typ Halbleiterbereich 5 zusätzlich zum Strompfad 16, der durch die aktive Schicht 4 zum n-Kontakt 9 führt, ein weiterer Strompfad 15 erzeugt, der nicht zum n-Kontakt führt. Durch den Stromfluss entlang dieses Strompfads 15 erwärmt sich das Halbleitermaterial, so dass der p-Typ Halbleiterbereich 5 als Heizelement fungiert. Der Vorteil bei dieser Ausgestaltung ist zum einen, dass das Halbleitermaterial selbst direkt geheizt wird, und zum anderen, dass keine feine Strukturierung der Schichten notwendig ist Allerdings sollte bei dieser Ausgestaltung möglichst verhindert werden, dass Heizstrom auf einem parasitären Strompfad zum n-Kontakt 9 fließt. Eine Möglichkeit ist, dass das Heizelement 14 und der Laserdiodenchip, wie oben beschrieben, nicht gleichzeitig betrieben werden.
  • Alle zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele zeichnen sich dadurch aus, dass der zusätzliche Aufwand bei der Herstellung des Laserdiodenchips nur gering ist, da die Heizelemente 14 jeweils mit Materialien realisiert werden können, die ohnehin bei der Herstellung des Laserdiodenchips aufgebracht werden. Außerdem beeinflussen die Heizelemente 14 die Leistungsdaten des Laserdiodenchips nicht oder nur in geringem Maße, so dass die Laserdiodenchips keine Nachteile gegenüber baugleichen Laserdiodenchips ohne Heizelementen haben.
  • Durch die geringe zu heizende Masse sind geringe Heizleistungen notwendig, um die aktive Schicht 4 auf die Zieltemperatur zu bringen und so die Wellenlänge zu stabilisieren. Damit sind auch hohe Heizraten möglich, um eine schnelle Anpassung der Wellenlänge zu erreichen. Durch die geringe Masse werden auch schnellere Kühlraten erreicht, wenn der Laserdiodenchip thermisch an eine Wärmesenke 1 angebunden wird. Das ermöglicht eine agile Regelung der Temperatur und damit der Emissionswellenlänge.
  • Eine Regelung der Emissionswellenlänge kann auch dazu verwendet werden, eine eventuelle produktionsbedingte Streuung der Wellenlänge mehrerer Laserdiodenchips zu kompensieren, indem die Temperatur des Laserdiodenchips in Abhängigkeit von der Wellenlänge so geregelt wird, dass der Laser bei der gewünschten Wellenlänge emittiert.
  • Wenn das Heizelement 14 des Laserdiodenchips zur Regelung der Emissionswellenlänge verwendet wird, kann die Regelung beispielsweise dadurch erfolgen, dass zumindest ein Teil der emittierten Strahlung auf ein optisches Filter gelenkt wird, das bei der gewünschten Emissionswellenlänge ein Transmissionsfenster aufweist. Mit anderen Worten ist das optische Filter ein schmalbandiges Filter, das nur in einem engen Wellenlängenbereich um die gewünschte Emissionswellenlänge transparent ist. Die Heizleistung des Heizelements kann in diesem Fall derart geregelt werden, dass ein Detektorelement hinter dem schmalbandigen optischen Filter eine maximale Intensität detektiert. Wenn sich die Wellenlänge der emittierten Strahlung ändert, kann die Heizleistung derart geregelt werden, dass die von dem Detektorelement detektierte Intensität maximiert wird.
  • Die 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
    Wärmesenke
    2
    Halbleiterschichtenfolge
    3
    n-Typ Halbleiterbereich
    4
    aktive Schicht
    5
    p-Typ Halbleiterbereich
    6
    Passivierungsschicht
    7
    Anwachsschicht
    8
    p-Kontakt
    9
    n-Kontakt
    10
    Metallschicht
    11
    Anwachsschicht
    12
    Passivierungsschicht
    13
    Rippenwellenleiter
    14
    Heizelement
    14a
    Kontaktfläche
    15
    Strompfad
    16
    Strompfad

Claims (15)

  1. Laserdiodenchip, umfassend - einen n-Typ Halbleiterbereich (3), einen p-Typ Halbleiterbereich (5) und eine zwischen dem n-Typ Halbleiterbereich (3) und dem p-Typ Halbleiterbereich (5) angeordnete aktive Schicht (4), einen n-Kontakt (9) und einen p-Kontakt (8), - mindestens ein Heizelement (14), das an einer dem p-Typ Halbleiterbereich (5) zugewandten Seite des Laserdiodenchips angeordnet sind, wobei das Heizelement (14) als Widerstandsheizung fungiert.
  2. Laserdiodenchip nach Anspruch 1, wobei das Heizelement (14) eine Leiterbahn (10, 11) ist.
  3. Laserdiodenchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die wobei der Laserdiodenchip auf einer Wärmesenke (1) angeordnet ist, und wobei die aktive Schicht zwischen dem Heizelement (14) und der Wärmesenke (1) angeordnet ist.
  4. Laserdiodenchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (14) und der p-Kontakt (8) das gleiche Material aufweisen.
  5. Laserdiodenchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (14) mindestens eines der Metalle Gold, Titan, Platin oder Palladium aufweist.
  6. Laserdiodenchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (14) mit elektrischen Kontakten verbunden ist, die nicht mit dem p-Kontakt (8) oder dem n-Kontakt (9) des Laserdiodenchips verbunden sind.
  7. Laserdiodenchip nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Heizelement (14) einen gemeinsamen Kontakt mit dem Laserdiodenchip aufweist.
  8. Laserdiodenchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (14) über dem p-Kontakt (8) des Laserdiodenchips angeordnet ist, wobei zwischen dem Heizelement (14) und dem p-Kontakt (8) eine Passivierungsschicht (12) angeordnet ist.
  9. Laserdiodenchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserdiodenchip einen Rippenwellenleiter (13) aufweist, und wobei das Heizelement (14) parallel zum Rippenwellenleiter (13) angeordnet ist.
  10. Laserdiodenchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der p-Typ Halbleiterbereich (5) bereichsweise mit einer Passivierungsschicht (6) bedeckt ist, und wobei das Heizelement (14) auf der Passivierungsschicht (6) angeordnet ist.
  11. Laserdiodenchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (14) zumindest bereichsweise durch eine metallische Anwachsschicht (11) gebildet ist, wobei auf der metallischen Anwachsschicht (11) bereichsweise der p-Kontakt (8) abgeschieden ist.
  12. Laserdiodenchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (14) eine galvanische Schicht aufweist.
  13. Laserdiodenchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Strompfad durch den p-Halbleiterbereich (5) zwischen dem Heizelement (14) und dem p-Kontakt (8) ausgebildet ist.
  14. Laserdiodenchip nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Heizelement (14) an eine Steuervorrichtung angeschlossen ist, die dazu eingerichtet ist, die Heizleistung des Heizelements (14) zu regeln.
  15. Laserdiodenchip nach Anspruch 14, bei dem die Steuervorrichtung dazu eingerichtet ist, die Heizleistung derart zu regeln, dass eine Emissionswellenlänge innerhalb einer vorgegeben Toleranz in einem Sollwertebereich liegt.
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