DE102019216710A1

DE102019216710A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement, anordnung von optoelektronischen halbleiterbauelementen, optoelektronische vorrichtung und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterbauelementes

Info

Publication number: DE102019216710A1
Application number: DE102019216710.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Illek; Hubert Halbritter
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2021-05-06
Also published as: WO2021083840A1; DE112020005345A5; US20220393438A1

Abstract

Eine Halbleiter-Laservorrichtung (10) weist einen Schichtstapel (123) auf, der einen ersten Resonatorspiegel (115), einen zweiten Resonatorspiegel (120) sowie eine aktive Zone (110), die zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel (115, 120) angeordnet ist und welche geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu emittieren, umfasst. Um einen zentralen Bereich (107) der aktiven Zone (110) ist eine Ladungsträgerbarriere (118) angeordnet.

Description

Oberflächenemittierende Laser, d.h. Laservorrichtungen, bei denen das erzeugte Laserlicht senkrecht zu einer Oberfläche einer Halbleiterschichtanordnung emittiert wird, können weitverbreitet als Laserlichtquelle, beispielsweise in Anzeigevorrichtungen eingesetzt werden.
Generell wird nach Konzepten gesucht, mit denen die Pixelgröße von Emittern verkleinert werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Halbleiter-Laservorrichtung zur Verfügung zu stellen. Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung von Halbleiter-Laservorrichtungen, ein verbessertes optoelektronisches Bauelement sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Laservorrichtung bereitzustellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand und das Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Eine Halbleiter-Laservorrichtung weist einen Schichtstapel auf, der einen ersten Resonatorspiegel, einen zweiten Resonatorspiegel sowie eine aktive Zone, die zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel angeordnet ist und welche geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu emittieren, umfasst.
Um einen zentralen Bereich der aktiven Zone ist eine Ladungsträgerbarriere angeordnet. Beispielsweise kann durch diese Ladungsträgerbarriere der Stromfluss durch die aktive Zone örtlich begrenzt sein.
Beispielsweise ist ein Teil des Schichtstapels zu einer Mesa strukturiert, und die Ladungsträgerbarriere ist jeweils in einem Randbereich der Mesa angeordnet.
Gemäß Ausführungsformen ist die Ladungsträgerbarriere durch lokale Dotierstoff-Diffusion und/oder lokales Quantenwell-Intermixing erzeugt. Beispielsweise kann sich die Bandlückenenergie der aktiven Zone im zentralen Bereich von der im Bereich der Ladungsträgerbarriere unterscheiden. Durch die Dotierstoff-Diffusion kann der pn-Übergang im Bereich der aktiven Zone geändert werden, so dass sich die Ladungsträgerbarriere ergibt.
Beispielsweise ist eine laterale Abmessung der Halbleiter-Laservorrichtung kleiner als 10 µm.
Die Halbleiter-Laservorrichtung kann ferner eine vergrabene Oxidschicht umfassen, wobei die vergrabene Oxidschicht in einem zentralen Bereich der Halbleiter-Laservorrichtung eine Öffnung aufweist. Die vergrabene Oxidschicht kann beispielsweise zwischen dem ersten Resonatorspiegel und der aktiven Zone angeordnet sein. Sie kann aber auch an anderen Stellen innerhalb des Schichtstapels angeordnet sein.
Benachbarte Halbleiter-Laservorrichtungen sind jeweils durch Gräben voneinander getrennt.
Die Gräben können sich höchstens bis zu einer Oberkante der aktiven Zone erstrecken und die aktive Zone nicht durchtrennen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen durchtrennen die Gräben die aktiven Zonen benachbarter Halbleiter-Laservorrichtungen.
Die Gräben haben beispielsweise eine maximale laterale Abmessung kleiner als 10 µm.
Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst eine optoelektronische Vorrichtung eine Anordnung wie vorstehend beschrieben sowie eine Ansteuervorrichtung, die geeignet ist, Halbleiter-Laservorrichtungen der Anordnung individuell anzusteuern.
Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst eine Anzeigevorrichtung die optoelektronische Vorrichtung wie vorstehend definiert.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung von Halbleiter-Laservorrichtungen umfasst das Ausbilden von Gräben in einem Schichtstapel, der einen ersten Resonatorspiegel, einen zweiten Resonatorspiegel sowie eine aktive Zone, die zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel angeordnet ist, umfasst. Dadurch wird eine Mesa strukturiert. Das Verfahren umfasst ferner das Ausbilden einer Ladungsträgerbarriere in einem Randbereich der Mesa.
Beispielsweise kann das Ausbilden der Ladungsträgerbarriere durch Diffusion von Dotierstoffen in den Gräben erfolgen.
Gemäß Ausführungsformen erstrecken sich die Gräben bis höchstens zur Oberkante der aktiven Zone.
Gemäß weiteren Ausführungsformen erstrecken sich die Gräben mindestens zur Unterkante der aktiven Zone.
Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleitenden Zeichnungen erkennen.
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Halbleiter-Laservorrichtung gemäß Ausführungsformen.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Halbleiter-Laservorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.

Die 3A bis 3C veranschaulichen ein Werkstück beim Durchführen eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiter-Laservorrichtung gemäß Ausführungsformen.
Die 4A bis 4B veranschaulichen ein Werkstück bei Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiter-Laservorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer optoelektronischen Vorrichtung gemäß Ausführungsformen.
6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer optoelektronischen Vorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.
7 fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial, beispielsweise einem GaAs-Substrat, einem GaN-Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein.
Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, Al-GaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP,InGaAsP sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga₂O₃, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.
Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft.
Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
Soweit hier die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und dergleichen verwendet werden, handelt es sich um offene Begriffe, die auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, das Vorhandensein von weiteren Elementen oder Merkmalen aber nicht ausschließen. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden“ eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch verbundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.
Der Begriff „elektrisch verbunden“ umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Anordnung 15 von mehreren Halbleiter-Laservorrichtungen 10 auf einem gemeinsamen Substrat 100. Die Halbleiter-Laservorrichtung 10 weist einen Schichtstapel 123 auf. Der Schichtstapel 123 umfasst einen ersten Resonatorspiegel 115, einen zweiten Resonatorspiegel 120 sowie eine aktive Zone 110, die zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 115, 120 angeordnet ist. Die aktive Zone 110 ist geeignet, elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Um einen zentralen Bereich 107 der aktiven Zone 110 ist eine Ladungsträgerbarriere 118 angeordnet.
Die aktive Zone kann beispielsweise eine Quantentopf-Struktur, beispielsweise eine einfache Quantentopf-Struktur (SQW, Single Quantum Well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, Multi Quantum Well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur“ entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.
Bei der in 1 gezeigten Anordnung ist der Schichtstapel 123 zu Mesas 103 strukturiert. Benachbarte Mesas 103 sind jeweils durch einen Graben 104 voneinander getrennt. Der im Rahmen der Beschreibung verwendete Begriff „Randbereich“ bezeichnet dabei einen Rand der jeweiligen Mesa 103. Demgegenüber ist der zentrale Bereich 107 der Halbleiter-Laservorrichtung in einem Mittel- oder zentralen Bereich der jeweiligen Mesa 103 angeordnet.
Eine Ladungsträgerbarriere 118 ist in einem Randbereich 105 der Mesa 103 angeordnet. Der Begriff „Ladungsträgerbarriere“ bezeichnet in diesem Zusammenhang einen Bereich, in dem die Bandstruktur der aktiven Zone im Vergleich zum zentralen Bereich 107 der Mesa geändert ist. Beispielsweise ist infolge einer Dotierstoff-Diffusion der pn-Übergang im Bereich der aktiven Zone geändert, beispielsweise von einem pn- zu einem p⁺/n^--Übergang. Zusätzlich kann der Bandabstand der Quantentopfstruktur im Bereich der Ladungsträgerbarriere gegenüber dem Bandabstand im zentralen Bereich vergrößert sein. Entsprechend ergibt sich eine veränderte, beispielsweise vergrößerte Bandlückenenergie im Randbereich der aktiven Zone. Dadurch, dass die Ladungsträgerbarriere im Randbereich der Halbleiter-Laservorrichtung angeordnet ist, wird eine laterale Diffusion der Ladungsträger aus dem zentralen Bereich der aktiven Zone verringert.
Die Mesas 103 sind dabei durch Gräben 104 sowohl in x- als auch in y-Richtung strukturiert. Eine Abmessung der Mesas 103 kann so gewählt sein, dass die einzelnen Mesas beispielsweise in Draufsicht quadratförmig, rechteckig, hexagonal oder rund ausgebildet sind.
Der erste Resonatorspiegel 115 kann jeweils alternierend gestapelte erste Schichten 115a einer ersten Zusammensetzung und zweite Schichten 115b einer zweiten Zusammensetzung aufweisen. Der zweite Resonatorspiegel 120 kann ebenfalls alternierend gestapelte Schichten 120a, 120b mit jeweils unterschiedlicher Zusammensetzung aufweisen.
Die jeweils alternierend gestapelten Schichten des ersten oder zweiten Resonatorspiegels 115, 120 weisen jeweils unterschiedliche Brechungsindizes auf. Beispielsweise können die Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n > 3,1) und einen niedrigen Brechungsindex (n < 3,1) haben und als Bragg-Reflektor ausgebildet sein.
Beispielsweise kann die Schichtdicke λ/4 oder ein Mehrfaches von λ/4 betragen, wobei λ die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem entsprechenden Medium angibt. Der erste oder der zweite Resonatorspiegel 115, 120 kann beispielsweise 2 bis 50 einzelne Schichten aufweisen. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 150 nm, beispielsweise 50 nm betragen. Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind. Beispielsweise kann der zweite Resonatorspiegel 120 ein Gesamtreflexionsvermögen von 99,8 % oder mehr für die Laserstrahlung haben. Der erste Resonatorspiegel 115 kann als Auskoppelspiegel für die Strahlung aus dem Resonator ausgebildet sein und weist beispielsweise ein geringeres Reflexionsvermögen als der zweite Resonatorspiegel auf.
In der aktiven Zone 110 erzeugte elektromagnetische Strahlung kann zwischen dem ersten Resonatorspiegel 115 und dem zweiten Resonatorspiegel 120 derart reflektiert werden, dass sich im Resonator ein Strahlungsfeld 21 für die Erzeugung kohärenter Strahlung (Laserstrahlung) über induzierte Emission in der aktiven Zone ausbildet. Insgesamt entspricht der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 115, 120 mindestens der halben effektiven emittierten Wellenlänge (λ/2n, wobei n der Brechzahl der aktiven Zone entspricht), so dass sich innerhalb des Resonators stehende Wellen ausbilden können. Die erzeugte Laserstrahlung 30 kann beispielsweise über den ersten Resonatorspiegel 115 aus dem Resonator ausgekoppelt werden. Die Halbleiter-Laservorrichtung 10 bildet somit einen sogenannten VCSEL, d.h. oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit Vertikalresonator („Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser“) aus.
Gemäß Ausführungsformen können die alternierend gestapelten Schichten zur Ausbildung des ersten und/oder zweiten Resonatorspiegels 115, 120 Halbleiterschichten aufweisen, von denen mindestens eine Schicht jeweils dotiert ist. Beispielsweise kann mindestens eine Halbleiterschicht der gestapelten Schichten des ersten Resonatorspiegels 115 mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p- oder n-Typ, dotiert sein. In entsprechender Weise kann mindestens eine der Halbleiterschichten des zweiten Resonatorspiegels 120 mit Dotierstoffen eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der vom ersten Leitfähigkeitstyp verschieden ist, beispielsweise n- oder p-Typ, dotiert sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann mindestens der erste oder der zweite Resonatorspiegel 115, 120 ausschließlich aus dielektrischen Schichten aufgebaut sein. In diesem Fall weist der Schichtstapel 123 zusätzlich eine erste Halbleiterschicht (nicht gezeigt) vom ersten Leitfähigkeitstyp sowie eine zweite Halbleiterschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp (nicht gezeigt) auf. Beispielsweise können in diesem Fall die alternierend angeordneten dielektrischen Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n > 1,7) und einen niedrigen Brechungsindex (n < 1,7) haben und als Bragg-Reflektor ausgebildet sein.
Beispielsweise können die Halbleiterschichten des ersten und des zweiten Resonatorspiegels sowie der aktiven Zone auf dem InGaAlP-Materialsystem basieren und Halbleiterschichten der Zusammensetzung In_xGa_yAl_1-x-yP mit 0 ≤ x, y ≤ 1 und x + y ≤ 1 umfassen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Halbleiterschichten des ersten und des zweiten Resonatorspiegels sowie der aktiven Zone auf dem AlGaAs-Schichtsystem basieren und jeweils Schichten der Zusammensetzung Al_xGa_1-xAs, mit 0 ≤ x ≤ 1 enthalten.
Die Halbleiter-Laservorrichtung 10 weist darüber hinaus ein erstes elektrisches Kontaktelement 125 sowie ein zweites elektrisches Kontaktelement 130 auf. Beispielsweise sind die Schichten des ersten Resonatorspiegels 115 mit dem ersten elektrischen Kontaktelement 125 verbunden. Über das erste elektrische Kontaktelement 125 sind Ladungsträger eines ersten Leitungstyps (z.B. Löcher)einprägbar.
Weiterhin können die Schichten des zweiten Resonatorspiegels 120 mit dem zweiten elektrischen Kontaktelement 130 verbunden sein. Ladungsträger eines zweiten Leitungstyps (z.B. Elektronen) können über das zweite elektrische Kontaktelement 130 eingeprägt werden. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Kontaktelement 125, 130 ist die Halbleiter-Laservorrichtung elektrisch pumpbar. Beispielsweise kann ein Halbleitersubstrat 100 zwischen dem zweiten Resonatorspiegel 120 und dem zweiten Kontaktelement 130 angeordnet sein.
Beispiele für Materialien des Substrats 100 umfassen ein geeignetes Wachstumssubstrat zum Aufwachsen der vorstehend genannten Halbleitermaterialien. Beispielsweise kann das Material des Halbleitersubstrats 100 GaAs oder ein anderes geeignetes Aufwachsmaterial sein.
Dadurch, dass wie vorstehend erläutert, die Ladungsträgerbarriere 118 in einem Randbereich 105 der Halbleiter-Laservorrichtung 10 angeordnet ist, kann der Strompfad innerhalb der Halbleiterschichtstruktur 123 gezielt geführt werden. Die laterale Diffusion der Ladungsträger wird reduziert. Entsprechend findet die Emission elektromagnetischer Strahlung insbesondere in den zentralen Bereichen 107 der Halbleiter-Laservorrichtung 10 statt, und es bildet sich eine optische Mode 20 aus.
Dadurch, dass eine laterale Diffusion der Ladungsträger verringert wird, wird die Oberflächenrekombination im Bereich der Mesakante 103a verringert. Als Folge ist es möglich, Halbleiter-Laservorrichtung 10 mit kleinerer Pixelgröße d oder Breite der Mesa 103 zu realisieren. Beispielsweise kann eine Mesabreite d von kleiner als 5 µm und weniger realisiert werden.
Beispielsweise kann die Mesabreite kleiner als 10 µm sein, beispielsweise kleiner als 2 µm. Beispielsweise kann die Mesabreite d mindestens 1 µm betragen. Weiterhin ist es möglich, den Abstand s zwischen benachbarten Mesas 103 auf einen Wert kleiner als 10 µm zu verringern. Beispielsweise kann auch der Abstand s kleiner als 5 µm sein. Der Abstand s kann größer als 1 µm sein.
Als Folge ist es möglich, den Füllfaktor für Anordnungen von Halbleiter-Laservorrichtungen 10 zu vergrößern. Durch das Einbringen der Ladungsträgerbarriere 118 wird ein verbesserter Überlapp der Bereiche mit hoher Ladungsträgerkonzentration mit der optischen Mode 20 der Halbleiter-Laservorrichtung erzielt. Als Folge werden eine höhere Verstärkung und ein niedrigerer Schwellstrom der Halbleiter-Laservorrichtung erreicht. Weiterhin werden aufgrund der verringerten Oberflächenkombination geringere Verluste, höhere Effizienz und ein niedrigerer Schwellstrom der Halbleiter-Laservorrichtung erreicht.
In 1 ist mit I eine Richtung der Stromeinprägung schematisch dargestellt. Weiterhin sind eine optische Mode 20 sowie die Ausbildung einer stehenden Welle durch ein Strahlungsfeld 21 angedeutet.
Die Ladungsträgerbarriere 118 für die laterale Ladungsträgerdiffusion kann durch eine lokale Eindiffusion von Dotierstoffen erzeugt werden. Wie bereits erwähnt, ist bei der Ladungsträgerbarriere die Bandlücke und insbesondere der Verlauf von Leitungs- und Valenzband erhöht bzw. erniedrigt, so dass die laterale Diffusion der Ladungsträger reduziert wird. Generell wird in das III-V-Halbleitermaterial ein Dotierstoff, wie beispielsweise Zink, Magnesium oder ein anderes Element der Gruppe II, eingebracht. Durch das Einbringen des Dotierstoffs wird einerseits der Verlauf von Leitungs- bzw. Valenzband geändert. Beispielsweise bildet sich ein n^-/p⁺-Übergang, der eine Barriere für Elektronen darstellt. Darüber hinaus wird das ersetzte Atom auf einen Zwischengitterplatz platziert, wodurch Defekte in der Gitterstruktur erzeugt werden. Durch diese Defekte in der Gitterstruktur wird eine Vergrößerung der Bandlücke bewirkt. Dieses Einbringen einer Barriere wird auch als Intermixing der Quantentopfstrukturen in der aktiven Zone bezeichnet (so genanntes „Impurity Induced QW Intermixing“).
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Anordnung von Halbleiter-Laservorrichtungen 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. Zusätzlich zu den in 1 dargestellten Komponenten der Halbleiter-Laservorrichtungen 10 sind hier vergrabene Oxidschichten 112 in einem Randbereich 105 der jeweiligen Mesas 103 oder der Halbleiter-Laservorrichtung 10 angeordnet. Die vergrabene Oxidschicht 112 kann beispielsweise durch Oxidation des Halbleitermaterials, beispielsweise von einer Seitenwand der Mesa 103 hergestellt werden.
Die vergrabene Oxidschicht 112 stellt dabei die üblicherweise verwendete Oxidapertur dar. Die vergrabene Oxidschicht 112, die in einem zentralen Bereich 107 der Halbleiter-Laservorrichtung 10 nicht vorhanden ist, ist beispielsweise zwischen der aktiven Zone 110 und dem ersten Resonatorspiegel 115 angeordnet. Sie kann aber auch an anderer Stelle innerhalb des Schichtstapels 123 angeordnet sein. Bei Anwesenheit der vergrabenen Oxidschicht 112 kann ein zusätzlicher optischer Einschluss bzw. Confinement der optischen Mode 20 erzielt werden, da die vergrabene Oxidschicht 112 einen anderen Brechungsindex als die angrenzende Halbleiterschicht hat. Generell schnürt die Oxidapertur 112 den Stromfluss auf den zentralen Bereich der Mesa ein, verhindert aber nicht die laterale Diffusion von Ladungsträgern in der aktiven Zone 110 zur Mesakante. Die hier dargestellte Kombination mit der Ladungsträgerbarriere erlaubt einen wesentlich geringeren Abstand der Mesakante vom zentralen Bereich und somit Laservorrichtungen 10 mit wesentlich kleineren lateralen Abmessungen.
Die 3A bis 3C veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Laservorrichtung 10 bzw. einer Anordnung 15 von Halbleiter-Laservorrichtungen 10.
Ausgangspunkt für die Durchführung eines Verfahrens ist ein Werkstück, welches einen Schichtstapel 123 aufweist. Der Schichtstapel umfasst einen ersten Resonatorspiegel 115, einen zweiten Resonatorspiegel 120 sowie eine aktive Zone 110, die zwischen dem ersten und zweiten Resonatorspiegel 115, 120 angeordnet ist. Beispielsweise kann der Schichtstapel auf einem Wachstumssubstrat 100 angeordnet sein.
Zunächst werden, wie in 3A veranschaulicht ist, Gräben 104 in einer ersten Hauptoberfläche 101 des Werkstücks, beispielsweise in einer Hauptoberfläche der Schichten, welche den ersten Resonatorspiegel 115 darstellen, ausgebildet, beispielsweise durch Ätzen.
Beispielsweise kann diese Ätzung mit Hilfe einer fotolithografisch strukturierten Maske erfolgen, die nicht zu ätzende Bereiche des Werkstücks bedeckt und zu ätzende Bereiche offen lässt. Beispielsweise kann zum Ätzen eine Hartmaske, die Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder eine Kombination dieser Materialien enthält, verwendet werden. Diese Hartmaske bedeckt die Oberfläche der Mesa 103 und kann auch bei einem nachfolgenden Diffusionsprozess als Schutz verwendet werden. Beispielsweise können Öffnungen der Maske eine Abmessung haben, die dem Abstand der zu definierenden Mesas 103 entspricht. Weiterhin kann eine Abmessung des abgedeckten Teils einer Abmessung der zu erzeugenden Mesas 103 entsprechen. Die Ätztiefe ist derart bemessen, dass sich die Gräben 104 nicht bis zur aktiven Zone 110 erstrecken. In 3A ist mit dem Pfeil 132 die Ätzung, die beispielsweise eine anisotrope Ätzung sein kann, dargestellt.
Nachfolgend wird ein Prozess zur lokalen Dotierstoffdiffusion 134 durch die definierten Gräben 104, insbesondere durch einen Bodenbereich der Gräben 104 durchgeführt. Wie bereits erwähnt, kann die lokale Diffusion von Dotierstoffen mit Zink, Magnesium oder beispielsweise eines anderen Elements der Gruppe II erfolgen.
Die Diffusion kann beispielsweise aus der Gasphase erfolgen. Gemäß Ausführungsformen kann auch ein Precursormaterial oder dessen Zerlegungsprodukte auf dem Halbleitermaterial abgeschieden und nachfolgend diffundiert werden. Beispielsweise kann die Diffusion bei niedrigen Temperaturen stattfinden, so dass das Halbleiterbauelement durch den Diffusionsprozess nicht oder nicht sehr geschädigt wird.
Als Ergebnis des Diffusionsprozesses wird, wie in 3B dargestellt ist, eine Ladungsträgerbarriere 118 in einem Randbereich der Mesa 103 erzeugt. 3B zeigt weiterhin eine Ausdehnung eines Diffusionsbereichs 135, d.h. eine Grenze, bis zu der beispielsweise die Dotierstoffe diffundieren können. Wie in 3B dargestellt ist, sind die Diffusionsbereiche 135 mit einer etwas breiteren lateralen Ausdehnung als der Breite der Gräben 134 angeordnet. Als Folge erstreckt sich die Ladungsträgerbarriere bis in einen Randbereich der Mesa 103.
In einem zentralen Bereich 107 der Mesa 103 verbleibt die aktive Zone 110 mit weitgehend unveränderter Bandstruktur. Nachfolgend kann gegebenenfalls eine lokale Oxidation durchgeführt werden, um im Randbereich 107 der Mesa 103 die in 2 dargestellte vergrabene Oxidschicht 112 von der Seitenwand der Gräben 104 her zu erzeugen.
In einem nachfolgenden Schritt kann, wie in 3C dargestellt ist, ein Füllmaterial 137 in die Gräben 104 eingebracht und planarisiert werden, um nachfolgend eine einfachere Kontaktierung zu ermöglichen. Beispiele für das Füllmaterial 137 umfassen beispielsweise BCB (Benzocyclobuten), Siliziumoxid oder andere isolierende Materialien. Weiterhin können erste Kontaktbereiche 125 über der ersten Hauptoberfläche 101 des Werkstoffs bereitgestellt werden.
Beispielsweise kann ein transparentes leitfähiges Material, beispielsweise ein leitfähiges Metalloxid aufgebracht und entsprechend strukturiert werden. Weiterhin kann beispielsweise ein zweiter Kontaktbereich 130 an der zweiten Hauptoberfläche 102 des Werkstücks aufgebracht werden.
Gemäß Ausführungsformen kann nach Durchführen des Diffusionsprozesses ein weiterer Ätzprozess durchgeführt werden, um die aktiven Zonen 110 benachbarter Halbleiter-Laservorrichtungen 10 voneinander zu trennen oder zu isolieren.
Die 4A und 4B veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Laservorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen. Abweichend von den in den 3A und 3B dargestellten Ausführungsformen wird gemäß diesen Ausführungsformen die Ätzung 132 bis zu einer Tiefe durchgeführt, die sich unterhalb der Unterkante der aktiven Zone 110 befindet. Als Folge wird die aktive Zone 110 lokal durchtrennt, wie in 4A dargestellt ist.
Nachfolgend wird, wie in 4B dargestellt ist, die lokale Diffusion von Dotierstoffen 134 durchgeführt. Dieses Verfahren kann in ähnlicher Weise, wie unter Bezugnahme auf 3B erläutert, durchgeführt werden. Als Folge erstreckt sich die Ladungsträgerbarriere 118 von den Gräben 104 aus seitlich in die aktive Zone 118 hinein. Dies ist in 4B veranschaulicht, die wiederum den Diffusionsbereich 135 veranschaulicht. Als Ergebnis wird analog wie in 3B eine Ladungsträgerbarriere 118 in einem Randbereich 105 der Mesa erzeugt. In einem zentralen Bereich 107 der Mesa 103 liegt jeweils die aktive Zone 110 mit im Wesentlichen unveränderter Bandstruktur vor.
Nachfolgend kann die Halbleiter-Laservorrichtung in entsprechender Weise wie unter Bezugnahme auf 3C weiter bearbeitet werden. Es kann in die Gräben 104 ein Füllmaterial eingebracht und planarisiert werden. Weiterhin können die Kontaktbereiche 125, 130 vorgesehen werden.
5 zeigt eine optoelektronische Vorrichtung 40 mit einer Anordnung 15 von Halbleiter-Laservorrichtungen 10 wie vorstehend erläutert gemäß Ausführungsformen. Beispielsweise ist wie vorstehend erläutert das Füllmaterial 137 in die Gräben 104 eingebracht.
Weiterhin sind die ersten Kontaktbereiche 125 ausgebildet. Beispielsweise können die ersten Kontaktbereiche 125 über den jeweiligen Mesas 103 ausgebildet werden. Ein Umbond-Prozess kann durchgeführt werden, durch welchen das Werkstück auf einen Träger 140, der ein beliebiges Material, das entsprechend den Anforderungen des Bauelements ausgewählt ist, enthalten kann. Beispielsweise kann der Träger 140 ein isolierendes oder ein Halbleitermaterial, beispielsweise Germanium oder Silizium enthalten. Weiterhin können die ersten Kontaktbereiche 125 individuell ansteuerbar sein, beispielsweise über einen externen Treiber, der außerhalb des Trägers 140 angeordnet ist.
Nach Umbonden des Werkstücks auf den Träger 140 kann das Wachstumssubstrat entfernt werden. Weiterhin können auf der zweiten Hauptoberfläche des Werkstücks zweite Kontaktelemente bereitgestellt werden. Beispielsweise kann eine transparente leitfähige Schicht als zweiter Kontaktbereich 130 aufgebracht werden. Ein Metall des zweiten Kontaktbereichs 130 kann beispielsweise ein leitfähiges Metalloxid, beispielsweise ITO (Indiumzinnoxid) enthalten. Weiterhin kann ein zweites Kontaktelement 131 über dem zweiten Kontaktbereich 130 ausgebildet werden. Beispielsweise kann eine leitfähige Schicht, beispielsweise eine metallische Schicht, strukturiert werden, sodass die metallischen Bereiche des zweiten Kontaktelements 131 in Bereichen der Gräben 104 vorliegen, während Bereiche über der Mesa 103 jeweils unbedeckt sind.
Wie in 5 veranschaulicht, kann beispielsweise die Lichtemission 30 über die zweite Hauptoberfläche 102 der optoelektronischen Vorrichtung erfolgen. Gemäß 5 ist ein zweiter Kontaktbereich 130 für die Anordnung 15 mehrerer Halbleiter-Laservorrichtungen 10 vorgesehen. Der zweite Kontaktbereich 130 kann über das zweite Kontaktelement 131 kontaktiert werden. Die einzelnen Halbleiter-Laservorrichtungen 10 sind jeweils einzeln über die ersten Kontaktbereiche 125 ansteuerbar.
6 zeigt eine optoelektronische Vorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen. Die optoelektronische Vorrichtung 40 umfasst wieder eine Anordnung 15 von Halbleiter-Laservorrichtungen 10. Ein Schaltungssubstrat 142 mit einer Ansteuerschaltung 128 ist über der ersten Hauptoberfläche 101 des Werkstücks aufgebracht. Beispielsweise kann eine ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung, „application-specific integrated circuit“) in dem Schaltungssubstrat 142 vorgesehen sein. Das Schaltungssubstrat 142 kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein, in dem entsprechende Schaltungskomponenenten ausgebildet sind. Dadurch wird eine Ansteuerschaltung 128 bereitgestellt, die jeweils die ersten Kontaktelemente 126, die jeweils mit den ersten Kontaktbereichen 125 elektrisch verbunden sind, individuell ansteuern kann.
In ähnlicher Weise wie unter Bezugnahme auf 5 beschrieben, kann ein gemeinsamer zweiter Kontaktbereich 130 auf einer zweiten Hauptoberfläche des Werkstücks aufgebracht sein. Weiterhin können zweite Kontaktelemente 131 über dem zweiten Kontaktbereich 130 angeordnet sein. Somit sind die zweiten Kontaktbereiche 130 zwischen den zweiten Kontaktelementen 131 und der zweiten Hauptoberfläche 102 angeordnet. Die zweiten Kontaktelemente 131 können jeweils strukturiert sein. Eine Lichtemission 30 kann über die zweite Hauptoberfläche 102 der optoelektronischen Vorrichtung erfolgen.
Dadurch lässt sich beispielsweise ein individuell adressierbares µ Pixel-Display bzw. Mikro-Display mit dem Vorteil einer gerichteten Abstrahlung realisieren.
Beispielsweise kann die optoelektronische Vorrichtung eine Anzeigevorrichtung mit einer Vielzahl von Emittern sein. Die Emitter können beispielsweise jeweils einem lichtemitierenden Element in einer einzelnen Mesa 103 entsprechen. Die Anzeigevorrichtung kann beispielsweise mehr als 100 x 100 Emitter, beispielsweise 1000 x 1000 Emitter umfassen. Die einzelnen Emitter können jeweils eine Größe von kleiner als 10 µm, etwa 1 µm und einen Abstand von kleiner 10 µm, beispielsweise 4,5 µm haben. Entsprechend hätte eine optoelektronische Vorrichtung eine Größe von etwa 5 × 5 mm². Derartige Anzeigevorrichtungen können beispielsweise in „Augmented Reality“-Anwendungen verwendet werden.
7 fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen. Ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung von Halbleiter-Laservorrichtungen umfasst das Ausbilden (S100) von Gräben in einem Schichtstapel, der einen ersten Resonatorspiegel, einen zweiten Resonatorspiegel sowie eine aktive Zone, die zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel angeordnet ist. Das Verfahren umfasst weiterhin das Ausbilden (S110) einer Ladungsträgerbarriere in einem Randbereich der aktiven Zone.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
Bezugszeichenliste

10: Halbleiter-Laservorrichtung
15: Anordnung von Halbleiter-Laservorrichtungen
20: optische Mode
21: Strahlungsfeld
30: emittierte Strahlung
40: optoelektronische Vorrichtung
100: Substrat
101: erste Hauptoberfläche
102: zweite Hauptoberfläche
103: Mesa
103a: Mesakante
104: Graben
105: Randbereich
107: zentraler Bereich
110: aktive Zone
112: vergrabene Oxidschicht
115: erster Resonatorspiegel
118: Ladungsträgerbarriere
120: zweiter Resonatorspiegel
123: Schichtstapel
125: erster Kontaktbereich
126: erstes Kontaktelement
128: Ansteuerschaltung
130: zweiter Kontaktbereich
131: zweites Kontaktelement
132: Ätzung
134: Dotierstoffdiffusion
135: Diffusionsbereich
137: Füllmaterial
140: Träger
142: Schaltungssubstrat

Claims

Halbleiter-Laservorrichtung (10) mit einem Schichtstapel (123), der einen ersten Resonatorspiegel (115), einen zweiten Resonatorspiegel (120) sowie eine aktive Zone (110), die zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel (115, 120) angeordnet ist und welche geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu emittieren, umfasst, wobei um einen zentralen Bereich (107) der aktiven Zone (110) eine Ladungsträgerbarriere (118) angeordnet ist.
Halbleiter-Laservorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei ein Teil des Schichtstapels (123) zu einer Mesa (103) strukturiert ist, und die Ladungsträgerbarriere (118) jeweils in einem Randbereich (105) der Mesa (103) angeordnet ist.
Halbleiter-Laservorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Ladungsträgerbarriere (118) durch lokale Dotierstoff-Diffusion erzeugt ist.
Halbleiter-Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ladungsträgerbarriere (118) durch lokales Quantenwell-Intermixing erzeugt ist und bei der sich die Bandlückenenergie der aktiven Zone im zentralen Bereich (7) von der im Bereich der Ladungsträgerbarriere (118) unterscheidet.
Halbleiter-Laservorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der eine laterale Abmessung der Mesa (103) kleiner als 10 µm ist.
Halbleiter-Laservorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine vergrabene Oxidschicht (112), wobei die vergrabene Oxidschicht (112) in einem zentralen Bereich (107) der Halbleiter-Laservorrichtung (10) eine Öffnung aufweist.
Anordnung (15) von Halbleiter-Laservorrichtungen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem benachbarte Halbleiter-Laservorrichtungen (10) jeweils durch Gräben (104) voneinander getrennt sind.
Anordnung (15) nach Anspruch 7, bei dem die Gräben (104) sich höchstens bis zu einer Oberkante der aktiven Zone (110) erstrecken und die aktive Zone (110) nicht durchtrennen.
Anordnung (15) nach Anspruch 6, bei dem die Gräben (104) die aktiven Zonen (110) benachbarter Halbleiter-Laservorrichtungen (10) durchtrennen.
Anordnung (15) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Gräben (104) eine maximale laterale Abmessung kleiner als 10 µm haben.
Optoelektronische Vorrichtung (40) mit einer Anordnung (15) nach einem der Ansprüche 7 bis 10 sowie einer Ansteuerschaltung (128), die geeignet ist, Halbleiter-Laservorrichtungen (10) der Anordnung (15) individuell anzusteuern.
Anzeigevorrichtung, die die optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 11 umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung (15) von Halbleiter-Laservorrichtungen (10) mit Ausbilden von Gräben (104) in einem Schichtstapel (123), der einen ersten Resonatorspiegel (115), einen zweiten Resonatorspiegel (120) sowie eine aktive Zone (110), die zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel (115, 120) angeordnet ist, umfasst, wodurch eine Mesa (103) strukturiert wird, Ausbilden einer Ladungsträgerbarriere (118) in einem Randbereich (105) der Mesa (103).
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Ausbilden der Ladungsträgerbarriere (118) durch Diffusion von Dotierstoffen im Bereich der Gräben (104) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Ausbilden der Ladungsträgerbarriere (118) durch Quantenwellintermixing im Bereich der Gräben (104) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem sich die Gräben (104) bis höchstens zur Oberkante der aktiven Zone (110) erstrecken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem sich die Gräben (104) mindestens zur Unterkante der aktiven Zone (110) erstrecken.