DE102020123854A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterbauelements - Google Patents

Optoelektronisches halbleiterbauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterbauelements Download PDF

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) angegeben umfassend zumindest einen Schichtenstapel (2) aufweisend
- eine aktive Zone (4) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung,
- zumindest eine aluminiumhaltige Stromeinengungsschicht (5), die einen ersten Bereich (5A) und einen zweiten Bereich (5B) umfasst, wobei der zweite Bereich (5B) eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der erste Bereich (5A), und
- eine Seitenfläche (2A), die den Schichtenstapel (2) lateral begrenzt und an der der zweite Bereich (5B) angeordnet ist, wobei der zweite Bereich (5B) ein oxidierter Bereich ist.
Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) angegeben.

Description

  • Es werden ein optoelektronisches Halbleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung angegeben. Insbesondere handelt es sich bei dem optoelektronischen Halbleiterbauelement um ein kantenemittierendes Laserbauelement.
  • Bei kantenemittierenden Laserdioden ist das Problem bekannt, dass es an einer zur Strahlungsauskopplung vorgesehenen Spiegelfacette aufgrund sehr hoher optischer Leistungsdichten zu starker Erwärmung und Degradation kommen kann. Ab einer gewissen Leistungsschwelle tritt ein COMD (Catastrophic Optical Mirror Damage) auf, der zu einem plötzlichen Ausfall des Bauelements führt. Dem Problem kann dadurch begegnet werden, dass ein zur Spiegelfacette erfolgender Stromfluss vermindert wird. Bisherige Lösungsansätze sind allerdings dahingehend limitiert, dass der Stromfluss zur Spiegelfacette nur auf einer substratabgewandten Seite einer aktiven Zone der Laserdiode reduziert werden kann. Beispielsweise kann durch Zurückziehen einer substratabgewandten Kontaktschicht von der Spiegelfacette ein Strom lateral eingeengt werden.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht vorliegend darin, ein robustes optoelektronisches Halbleiterbauelement anzugeben, das relativ einfach herstellbar ist. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein relativ einfaches Verfahren zur Herstellung eines robusten optoelektronischen Halbleiterbauelements anzugeben.
  • Diese Aufgaben werden unter anderem durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst dieses zumindest einen Schichtenstapel, der eine aktive Zone zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung sowie zumindest eine aluminiumhaltige Stromeinengungsschicht aufweist, die einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich umfasst, wobei der zweite Bereich eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der erste Bereich. Weiterhin weist der Schichtenstapel eine Seitenfläche auf, die den Schichtenstapel lateral begrenzt und an der der zweite Bereich angeordnet ist, wobei der zweite Bereich ein oxidierter Bereich ist. Mittels der Stromeinengungsschicht kann der Stromfluss zur Seitenfläche vermindert und der Strom lateral eingeengt werden. Vorteilhafterweise vermindert der zweite Bereich den Stromfluss im Bereich der Seitenfläche und erhöht damit die Belastungsgrenze des Halbleiterbauelements.
  • Vorliegend wird mit dem „oxidierten Bereich“ insbesondere ein durch Oxidation erzeugter Bereich einer ursprünglich nicht-oxidierten aluminiumhaltigen Stromeinengungsschicht beziehungsweise Ausgangsschicht bezeichnet. Die Oxidation kann noch nach der Herstellung des Schichtenstapels erfolgen.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei der Ausgangsschicht um eine hoch-aluminiumhaltige AlGaInAsP-Schicht, die einen Aluminiumgehalt von mindestens 90% aufweist. Bevorzugte Werte sind dabei 90%, 95%, 98%, 99% und 100%. In anderen Worten ist die Ausgangsschicht aus AlxGayIn1-x-yAsP gebildet, wobei 0,9 ≤ x ≤ 1 und x + y ≤ 1 gilt. Dabei können der Indium- und/oder Phosphorgehalt in der Schicht variieren, beispielsweise zur Optimierung von Bandverläufen und Verspannungen. Ferner kann der Aluminiumgehalt innerhalb des angegebenen Wertebereichs in der Schicht variieren, beispielsweise durch Legierungsrampen oder einen Stapel mit verschiedenen Zusammensetzungen. Dadurch können zum Beispiel ein elektrischer Serienwiderstand und eine optische Modenführung optimiert werden.
  • Weiter bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Bereich um einen nicht-oxidierten Bereich der Ausgangsschicht, so dass dieser in seiner Materialzusammensetzung insbesondere der Ausgangsschicht entspricht. Dementsprechend enthält beziehungsweise besteht der erste Bereich vorzugsweise aus AlxGayIn1-x-yAsP, wobei 0,9 ≤ x ≤ 1 und x + y ≤ 1 gilt. Weiterhin weist der zweite Bereich insbesondere einen höheren Sauerstoffgehalt auf als der erste Bereich.
  • Vorliegend bezeichnet „lateral“ insbesondere eine parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Schichtenstapels verlaufende Richtung. Insbesondere ist die Stromeinengungsschicht im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene angeordnet. Weiterhin sind der erste und zweite Bereich vorzugsweise nebeneinander, das heißt lateral größtenteils nicht überlappend angeordnet, wobei der erste Bereich auf einer der Seitenfläche abgewandten Seite des zweiten Bereichs angeordnet ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zweite Bereich eine laterale Ausdehnung zwischen einschließlich 0,1 µm und einschließlich 100 µm auf. Bevorzugte Werte liegen bei 0,1 µm, 1 µm, 5 µm, 10 µm, 15 µm, 20 µm, 25 µm, 50 µm und 100 µm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Schichtenstapel zumindest eine n-leitende Halbleiterschicht und zumindest eine p-leitende Halbleiterschicht auf, wobei die aktive Zone zwischen der zumindest einen n-leitenden Halbleiterschicht und der zumindest einen p-leitenden Halbleiterschicht angeordnet ist. Die Richtung, in der die n-leitende Halbleiterschicht, die aktive Zone und die p-leitende Halbleiterschicht aufeinanderfolgen, wird im Folgenden als „vertikale Richtung“ bezeichnet, die senkrecht zu der lateralen Richtung verläuft.
  • Die zumindest eine n-leitende Halbleiterschicht, die aktive Zone und die zumindest eine p-leitende Halbleiterschicht sind insbesondere auf einem Substrat epitaktisch aufgewachsene Schichten, wobei das Substrat im fertigen Halbleiterbauelement verbleiben oder aber entfernt und durch einen anderen Träger ersetzt sein kann. Vorzugsweise handelt es sich auch bei der Stromeinengungsschicht um eine epitaktisch aufgewachsene Schicht. Die Stromeinengungsschicht kann mit Vorteil auf einer substratzugewandten und/oder substratabgewandten Seite der aktiven Zone in den Schichtenstapel integriert sein. Die Stromeinengungsschicht kann sich also im Schichtenstapel an verschiedenen vertikalen Positionen befinden. Beispielsweise handelt es sich bei der substratzugewandten Seite der aktiven Zone des Schichtenstapels um die n- Seite und bei der substratabgewandten Seite der aktiven Zone des Schichtenstapels um die p- Seite des Schichtenstapels. Alternativ kann es sich bei der substratzugewandten Seite der aktiven Zone um die p- Seite und bei der substratabgewandten Seite der aktiven Zone um die n- Seite des Schichtenstapels handeln.
  • Die aktive Zone enthält beispielsweise eine Folge von Einzelschichten, mittels welchen eine Quantentopfstruktur, insbesondere eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW, single quantum well) oder Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW, multiple quantum well), ausgebildet ist.
  • Für die Halbleiterschichten des Schichtenstapels kommen vorzugsweise auf Phosphid- und/oder Arsenid-Verbindungshalbleitern basierende Materialien in Betracht. „Auf Phosphid- oder Arsenid-Verbindungshalbleitern basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichten AlnGamIn1-n-mP oder AlnGamIn1-n-mAs enthalten, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und n+m ≤ 1 gilt. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlnGamIn1-n-mP- oder AlnGamIn1-n-mAs-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al, Ga, In, P bzw. As), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
  • Je nach Position der Stromeinengungsschicht, das heißt ob sie im n-leitenden Bereich oder p-leitenden Bereich des Schichtenstapels angeordnet ist, kann sie n- oder p-dotiert sein. Geeignete Dotierstoffe sind beispielsweise Te, Si, Ge, S, C, Be, Mg, Zn und Se.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das optoelektronische Halbleiterbauelement ein kantenemittierendes Laserbauelement, und die Seitenfläche ist zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung vorgesehen. Dabei weist die elektromagnetische Strahlung einen kohärenten Anteil auf. Beispielsweise enthält das Halbleiterbauelement, vorzugsweise der Schichtenstapel, hierfür einen Resonator, wobei die Seitenfläche beziehungsweise Laserfacette einen Teil des Resonators bildet. Insbesondere handelt es sich bei dem kohärenten Anteil der elektromagnetischen Strahlung um Laserstrahlung, zum Beispiel um infrarote oder sichtbare Laserstrahlung. Bei dem kohärenten Anteil kann es sich beispielsweise um Laserstrahlung in der Grundmode des Resonators handeln.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der zumindest eine Schichtenstapel eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche auf, die jeweils quer zu der Seitenfläche und insbesondere parallel zu der Haupterstreckungsebene angeordnet sind und den Schichtenstapel vertikal begrenzen, wobei die Stromeinengungsschicht näher an der aktiven Zone als an der ersten und/oder zweiten Hauptfläche angeordnet ist. Insbesondere ist die Stromeinengungsschicht so nah an der aktiven Zone angeordnet, dass in einem Zwischenbereich zwischen der Stromeinengungsschicht und der aktiven Zone kaum eine Aufweitung des lateral eingeengten Stroms stattfinden kann. Darüber hinaus ist die Stromeinengungsschicht mit Vorteil in einem Abstand zur aktiven Zone angeordnet, so dass durch die Stromeinengungsschicht möglichst wenig zusätzliche Verspannungen in der aktiven Zone hervorgerufen werden.
  • Die Stromeinengungsschicht kann eine vertikale Ausdehnung zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 200 nm aufweisen. Bevorzugte Werte liegen bei 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 35 nm, 50 nm, 100 nm, 200 nm.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Schichtenstapel zumindest zwei aluminiumhaltige Stromeinengungsschichten auf, die sich in ihrer Materialzusammensetzung und/oder vertikalen Ausdehnung und/oder lateralen Ausdehnung der zweiten Bereiche voneinander unterscheiden. Beispielsweise können die unterschiedlichen Materialzusammensetzungen der Stromeinengungsschichten so gewählt sein, dass bei der Ausgangsschicht der einen Stromeinengungsschicht eine schnellere und damit lateral tiefer eindringende Oxidation auftritt als bei der Ausgangsschicht der anderen Stromeinengungsschicht. Insbesondere unterscheidet sich der Aluminiumgehalt der Stromeinengungsschichten mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen. Ferner ist es möglich, dass die unterschiedlichen vertikalen Ausdehnungen oder Dicken der Ausgangsschichten so gewählt sind, dass bei der einen Ausgangsschicht eine schnellere und damit lateral tiefer eindringende Oxidation auftritt als bei der anderen Ausgangsschicht. Insbesondere weist die dickere Stromeinengungsschicht eine größere laterale Ausdehnung des zweiten Bereichs auf als die dünnere Stromeinengungsschicht.
  • Weiterhin sind die Stromeinengungsschichten vorzugsweise an verschiedenen vertikalen Positionen des Schichtenstapels angeordnet. Beispielsweise können die Stromeinengungsschichten auf verschiedenen Seiten der aktiven Zone angeordnet sein. Weiterhin ist es möglich, dass zumindest zwei Stromeinengungsschichten mit unterschiedlicher lateraler Ausdehnung der zweiten Bereiche direkt aneinandergrenzen, wodurch ein gewünschtes Stromprofil einstellbar ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das optoelektronische Halbleiterbauelement zumindest zwei Schichtenstapel der oben genannten Art auf, die übereinander angeordnet sind, wobei zwischen den Schichtenstapeln ein Tunnelübergang angeordnet ist. Der Tunnelübergang umfasst insbesondere zwei hochdotierte Schichten unterschiedlichen Leitungstyps (n- bzw. p-leitend) und dient zur elektrischen Verbindung der Schichtenstapel. Die Schichtenstapel werden durch den Tunnelübergang insbesondere elektrisch in Reihe geschaltet. Der Tunnelübergang bildet besonders geringe Potentialbarrieren, wodurch das Tunneln von Ladungsträgern zwischen den übereinander angeordneten aktiven Zonen erleichtert wird. Durch das Tunneln werden für den Stromfluß zwischen den beiden Schichtstapeln notwendige Ladungsträgerpaare erzeugt.
  • Weiterhin emittieren die aktiven Zonen der Schichtenstapel insbesondere Strahlung in demselben Wellenlängenbereich, so dass durch die Mehrzahl von Schichtenstapeln die optische Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements erhöht werden kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Stromeinengungsschicht oder mehrere Stromeinengungsschichten im Bereich zumindest eines der folgenden Elemente des optoelektronischen Halbleiterbauelements angeordnet: p-Kontaktschicht, p-Mantelschicht, p-Wellenleiter, aktive Zone, n-Kontaktschicht, n-Mantelschicht, n-Wellenleiter, Pufferschicht, Nukleationsschicht, Tunnelübergang. Wie bereits oben erwähnt, wird die Stromeinengungsschicht mit Vorteil zum einen so nah an der aktiven Zone angeordnet, dass in einem Zwischenbereich zwischen der Stromeinengungsschicht und der aktiven Zone kaum eine Aufweitung des lateral eingeengten Stromes stattfinden kann, und zum anderen so weit entfernt von der aktiven Zone angeordnet, dass dort möglichst wenige, durch die Stromeinengungsschicht verursachte, zusätzliche Verspannungen auftreten.
  • Das nachfolgend beschriebene Verfahren ist für die Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements oder einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen der oben genannten Art geeignet. Im Zusammenhang mit dem Halbleiterbauelement beschriebene Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements der oben genannten Art weist dieses die folgenden, nacheinander ausgeführten Schritte auf:
    • - Bereitstellen zumindest eines Schichtenstapels, der zumindest eine aluminiumhaltige Ausgangsschicht und eine Seitenfläche aufweist, die den Schichtenstapel lateral begrenzt,
    • - Ausbilden einer Stromeinengungsschicht mit einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich, der an der Seitenfläche angeordnet ist und eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der erste Bereich, dadurch, dass die zumindest eine aluminiumhaltige Ausgangsschicht in dem zweiten Bereich oxidiert wird.
  • Vorzugsweise findet der Oxidationsprozess bereits auf Wafer-Level-Ebene nach einem Freilegen der Seitenflächen der Schichtenstapel beziehungsweise nach Facettenbrechen statt, wobei der Wafer eine Vielzahl von Schichtenstapeln aufweist, die im Verbund angeordnet sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der zweite Bereich mittels lateraler Oxidation der Ausgangsschicht ausgehend von der Seitenfläche erzeugt. Die laterale Eindringtiefe beziehungsweise laterale Ausdehnung des zweiten Bereichs beträgt dabei zwischen einschließlich 0,1 µm und einschließlich 100 µm.
  • Es bestehen verschiedene Möglichkeiten, die Eindringtiefe der Oxidation zu regulieren. Beispielsweise kann die Eindringtiefe durch die vertikale Ausdehnung der Stromeinengungsschicht reguliert werden. Insbesondere weist eine dickere Ausgangsschicht eine schnellere, tiefere Oxidation auf als eine dünnere Ausgangsschicht.
  • Weiterhin kann die Eindringtiefe der Oxidation durch den Aluminiumgehalt der Ausgangsschicht reguliert werden. Insbesondere führt ein höherer Aluminiumgehalt zu einer schnelleren, tieferen Oxidation.
  • Auch kann die Eindringtiefe der Oxidation durch eine Dauer des Oxidationsvorgangs reguliert wird. Insbesondere führt ein längerer Oxidationsvorgang zu einer tieferen Oxidation.
  • Das optoelektronische Halbleiterbauelement eignet sich besonders für Halbleiterlaser-Applikationen im Automotive- und Multimedia-Bereich.
  • Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • Es zeigen:
    • 1A und 1C jeweils eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel, wobei die Stromeinengungsschicht im Bereich eines Wellenleiters angeordnet ist, und 1A und 1B ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 2A und 2B jeweils eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem dritten und vierten Ausführungsbeispiel, wobei die Stromeinengungsschicht im Bereich einer Mantelschicht angeordnet ist,
    • 3A und 3B jeweils eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem fünften und sechsten Ausführungsbeispiel, wobei die Stromeinengungsschicht im Bereich der aktiven Zone angeordnet ist,
    • 4 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel, wobei die Stromeinengungsschicht im Bereich einer Kontaktschicht angeordnet ist,
    • 5 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem achten Ausführungsbeispiel, wobei die Stromeinengungsschicht im Bereich einer Pufferschicht angeordnet ist,
    • 6 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel, das Stromeinengungsschichten im Bereich der Wellenleiter aufweist,
    • 7 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel, das Stromeinengungsschichten im Bereich der Mantelschichten aufweist,
    • 8 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem elften Ausführungsbeispiel, das Stromeinengungsschichten im Bereich der aktiven Zone aufweist,
    • 9 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel, das Stromeinengungsschichten im Bereich der Kontaktschicht und der Pufferschicht aufweist,
    • 10 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem dreizehnten Ausführungsbeispiel, das Stromeinengungsschichten mit zweiten Bereichen verschiedener vertikaler und lateraler Ausdehnung aufweist,
    • 11 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem vierzehnten Ausführungsbeispiel, das Stromeinengungsschichten verschiedener Materialzusammensetzungen und Oxidationstiefen aufweist,
    • 12 eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem fünfzehnten Ausführungsbeispiel, das aneinander grenzende Stromeinengungsschichten mit zweiten Bereichen verschiedener lateraler Ausdehnung aufweist,
    • 13 eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem sechzehnten Ausführungsbeispiel, das Stromeinengungsschichten im Bereich eines Tunnelübergangs aufweist.
  • In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht notwendigerweise als maßstabsgerecht anzusehen; vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • 1A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 in einer Querschnittsansicht, wobei eine Querschnittsebene senkrecht zu einer Seitenfläche 2A und einer ersten Hauptfläche 2B sowie zweiten Hauptfläche 2C eines Schichtenstapels 2 des Halbleiterbauelements 1 angeordnet ist. Insbesondere handelt es sich bei dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 1 um ein kantenemittierendes Laserbauelement, bei dem elektromagnetische Strahlung durch die Seitenfläche 2A hindurch in einer lateralen Richtung L aus dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 1 ausgekoppelt wird.
  • Das optoelektronische Halbleiterbauelement 1 umfasst den Schichtenstapel 2 und ein Substrat 3, auf dem der Schichtenstapel 2 angeordnet ist. Bei dem Substrat 3 kann es sich um ein Aufwachssubstrat handeln, auf dem der Schichtenstapel 2 epitaktisch aufgewachsen ist oder aber um ein Ersatzsubstrat, welches das ursprüngliche Aufwachssubstrat ersetzt.
  • Der Schichtenstapel 2 umfasst mehrere n-seitige, zumindest teilweise n-leitende Schichten 13, 11, 12 und mehrere p-seitige, zumindest teilweise p-leitende Schichten 9, 8, 7, die in vertikaler Richtung V aufeinanderfolgen. Ferner weist der Schichtenstapel 2 eine aktive Zone 4 auf, die zwischen den n-seitigen Schichten 11, 12, 13 und den p-seitigen Schichten 7, 8, 9 angeordnet ist. Insbesondere handelt es sich bei der Schicht 7 um eine p-Kontaktschicht, bei der Schicht 8 um eine p-Mantelschicht, bei der Schicht 9 um einen p-Wellenleiter, bei der Schicht 12 um einen n-Wellenleiter, bei der Schicht 11 um eine n-Mantelschicht und bei der Schicht 13 um eine Pufferschicht. Der Schichtenstapel 2 kann zwischen den genannten Schichten 7, 8, 9, 11, 12, 13 weitere (nicht dargestellte) Schichten aufweisen.
  • Weiterhin kann die aktive Zone 4 eine Folge von Einzelschichten enthalten, mittels welchen eine Quantentopfstruktur, insbesondere eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW, single quantum well) oder Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW, multiple quantum well), ausgebildet ist.
  • Ferner können sowohl der p-Wellenleiter 9 als auch der n-Wellenleiter 12 jeweils eine Folge von Einzelschichten vorzugsweise mit alternierendem Brechungsindex aufweisen.
  • Für den Schichtenstapel 2 beziehungsweise die darin enthaltenen Halbleiterschichten 4, 7, 8, 9, 11, 12, 13 kommen vorzugsweise auf Phosphid- und/oder Arsenid-Verbindungshalbleitern basierende Materialien, die weiter oben näher beschrieben sind, in Betracht.
  • Weiterhin umfasst der Schichtenstapel 2 eine aluminiumhaltige Stromeinengungsschicht 5, die einen ersten Bereich 5A und einen zweiten Bereich 5B umfasst, wobei der zweite Bereich 5B eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der erste Bereich 5A und ein oxidierter Bereich ist.
  • Der oxidierte Bereich 5B wird durch Oxidation O aus einer ursprünglich nicht-oxidierten aluminiumhaltigen Stromeinengungsschicht beziehungsweise Ausgangsschicht 50 (vgl. 1B) erzeugt. Durch die Oxidation O der Ausgangsschicht 50, das heißt durch Erhöhen des Sauerstoffgehalts, im zweiten Bereich 5B wird die elektrische Leitfähigkeit im zweiten Bereich 5B verringert. Mittels der Stromeinengungsschicht 5 kann damit ein Strom im Halbleiterbauelement 1 lateral auf den ersten Bereich 5A eingeengt werden.
  • Bei der Ausgangsschicht 50 handelt es sich mit Vorteil um eine hoch-aluminiumhaltige AlGaInAsP-Schicht, die einen Aluminiumgehalt von mindestens 90% aufweist. Bevorzugte Werte sind dabei 90%, 95%, 98%, 99% und 100%. In anderen Worten ist die Ausgangsschicht aus AlxGayIn1-x-yAsP gebildet, wobei 0,9 ≤ x ≤ 1 und x + y ≤ 1 gilt. Ferner handelt es sich bei dem ersten Bereich 5A um einen nicht-oxidierten Bereich der Ausgangsschicht 50, so dass dieser in seiner Materialzusammensetzung insbesondere der Ausgangsschicht entspricht. Dementsprechend enthält beziehungsweise besteht der erste Bereich 5A vorzugsweise aus AlxGayIn1-x-yAsP, wobei 0,9 ≤ x ≤ 1 und x + y ≤ 1 gilt.
  • Der zweite, oxidierte Bereich 5B ist an der Seitenfläche 2A angeordnet und kann damit einen zur Seitenfläche 2A gerichteten Stromfluss verringern. Dies schützt die Seitenfläche 2A, bei der es sich insbesondere um eine Spiegelfacette handelt, vor zu starker Erwärmung und Degradation und ermöglicht eine Erhöhung der optischen Ausgangsleistung, da diese oft durch die Degradation der Spiegelfacette limitiert ist.
  • Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Stromeinengungsschicht 5 im p-Wellenleiter 9 angeordnet. Die Stromeinengungsschicht 5 ist damit so nah an der aktiven Zone 4 angeordnet, dass in einem Zwischenbereich zwischen der Stromeinengungsschicht 5 und der aktiven Zone 4 kaum eine Aufweitung des lateral eingeengten Stroms stattfinden kann.
  • Der zweite Bereich 5B weist eine laterale Ausdehnung b zwischen einschließlich 0,1 µm und einschließlich 100 µm auf, wobei bevorzugte Werte bei 0,1 µm, 1 µm, 5 µm, 10 µm, 15 µm, 20 µm, 25 µm, 50 µm und 100 µm liegen.
  • Weiterhin kann die Stromeinengungsschicht 5 eine vertikale Ausdehnung d zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 200 nm aufweisen, wobei bevorzugte Werte bei 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 35 nm, 50 nm, 100 nm, 200 nm liegen.
  • Anhand der 1A und 1B wird ein Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 näher erläutert. Zunächst wird ein Schichtenstapel 2 bereitgestellt, der eine aluminiumhaltige Ausgangsschicht 50 und eine Seitenfläche 2A aufweist, die den Schichtenstapel 2 lateral begrenzt. Dann wird eine Stromeinengungsschicht 5 mit einem ersten Bereich 5A und einem zweiten Bereich 5B, der an der Seitenfläche 2A angeordnet ist und eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der erste Bereich 5A, ausgebildet, indem die aluminiumhaltige Ausgangsschicht 50 in dem zweiten Bereich 5B oxidiert wird.
  • Insbesondere wird der oxidierte Bereich 5B mittels lateraler Oxidation O der Ausgangsschicht 50 ausgehend von der Seitenfläche 2A erzeugt.
  • 1C zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1. Während die Stromeinengungsschicht 5 beim ersten Ausführungsbeispiel p-seitig angeordnet ist, befindet sich diese beim zweiten Ausführungsbeispiel auf der n-Seite des Schichtenstapels 2 im n-Wellenleiter 12. Im Vergleich zu bisherigen Strukturen, in denen der Strom zur Spiegelfacette nur auf einer substratabgewandten Seite der aktiven Zone der Laserdiode eingeengt werden kann, erfolgt bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Stromeinengung auf der zum Substrat 3 gewandten n-Seite.
  • 2A zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1. Während die Stromeinengungsschicht 5 beim ersten Ausführungsbeispiel im p-Wellenleiter 9 angeordnet ist, befindet sich diese beim dritten Ausführungsbeispiel in der p-Mantelschicht 8. Damit ist die Stromeinengungsschicht 5 weiter entfernt von der aktiven Zone 4 angeordnet, so dass durch die Stromeinengungsschicht 5 zusätzlich verursachte Verspannungen reduziert werden können.
  • 2B zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1, bei dem die Stromeinengungsschicht 5 in der n-Mantelschicht 11 und damit auf der substratzugewandten Seite des Schichtenstapels 2 angeordnet ist.
  • 3A und 3B zeigen ein fünftes und sechstes Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1, wobei die Stromeinengungsschicht 5 im Bereich der aktiven Zone 4 auf der substratabgewandten (vgl. 3A) beziehungsweise der substratzugewandten Seite (vgl. 3B) der aktiven Zone 4 angeordnet ist. Dadurch kann die Ladungsträgerdichte in der aktiven Zone 4 an der Seitenfläche 2A gezielt reduziert werden.
  • 4 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1. Hier befindet sich die Stromeinengungsschicht 5 im Bereich der p-Kontaktschicht 7. Damit ist die Stromeinengungsschicht 5 noch weiter entfernt von der aktiven Zone 4 angeordnet als beim dritten Ausführungsbeispiel, so dass durch die Stromeinengungsschicht 5 verursachte, zusätzliche Verspannungen weiter reduziert werden können. Um trotzdem eine ausreichende Stromeinengung im Bereich der aktiven Zone 4 zu gewährleisten, kann der zweite Bereich 5B beispielsweise mit einer größeren lateralen Ausdehnung b als beim ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet werden.
  • 5 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1, bei dem die Stromeinengungsschicht 5 im Bereich der Pufferschicht 13 und damit auf der substratzugewandten Seite des Schichtenstapels 2 angeordnet ist. Die Stromeinengungsschicht 5 ist von der aktiven Zone 4 weiter beabstandet als beim vierten Ausführungsbeispiel, so dass durch die Stromeinengungsschicht 5 verursachte, zusätzliche Verspannungen weiter reduziert werden können.
  • Bei den in den 6 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispielen weisen die Schichtenstapel 2 der Halbleiterbauelemente 1 jeweils mehrere Stromeinengungsschichten 5 auf, die auf der p-Seite und der n-Seite angeordnet sind, so dass eine beidseitige Stromeinengung stattfinden kann.
  • Beispielsweise sind bei dem in 6 dargestellten, neunten Ausführungsbeispiel die Stromeinengungsschichten 5 im Bereich des p-Wellenleiters 9 und des n-Wellenleiters 12 angeordnet. Dieses Ausführungsbeispiel weist außerdem die in Verbindung mit dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel genannten Vorteile auf.
  • Weiterhin sind bei dem in 7 dargestellten, zehnten Ausführungsbeispiel die Stromeinengungsschichten 5 im Bereich der p-Mantelschicht 8 und der n-Mantelschicht 11 angeordnet.
  • Dieses Ausführungsbeispiel weist außerdem die in Verbindung mit dem dritten und vierten Ausführungsbeispiel genannten Vorteile auf.
  • Bei dem in 8 dargestellten, elften Ausführungsbeispiel, sind die Stromeinengungsschichten 5 im Bereich der aktiven Zone 4 angeordnet. Dieses Ausführungsbeispiel weist außerdem die in Verbindung mit dem fünften und sechsten Ausführungsbeispiel genannten Vorteile auf.
  • Ferner sind bei dem in 9 dargestellten, zwölften Ausführungsbeispiel die Stromeinengungsschichten 5 im Bereich der Kontaktschicht 7 und der Pufferschicht 13 angeordnet. Dieses Ausführungsbeispiel weist außerdem die in Verbindung mit dem siebten und achten Ausführungsbeispiel genannten Vorteile auf.
  • Während die Stromeinengungsschichten 5 bei den in den 6 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils insbesondere identisch ausgebildet sind, zeigen die 10 und 11 Ausführungsbeispiele, bei denen der Schichtenstapel 2 zwei Stromeinengungsschichten 5 aufweist, die sich in der lateralen Ausdehnung b der zweiten Bereiche 5B voneinander unterscheiden. Dies kann bei dem in 10 dargestellten, dreizehnten Ausführungsbeispiel durch unterschiedliche vertikale Ausdehnungen d der zugehörigen Ausgangsschichten erzielt werden, wobei bei der dickeren Ausgangsschicht eine schnellere und damit lateral tiefer eindringende Oxidation auftritt als bei der dünneren Ausgangsschicht.
  • Bei dem in 11 dargestellten, vierzehnten Ausführungsbeispiel unterscheiden sich die Stromeinengungsschichten 5 beziehungsweise die Ausgangsschichten, die zur Herstellung der Stromeinengungsschichten 5 dienen, in ihrer Materialzusammensetzung. Dabei sind die Materialzusammensetzungen so gewählt, dass bei der einen Ausgangsschicht eine schnellere und damit lateral tiefer eindringende Oxidation auftritt als bei der anderen Ausgangsschicht. Insbesondere weist die Ausgangsschicht, bei der eine schnellere Oxidation auftritt, einen höheren Aluminiumgehalt auf.
  • 12 zeigt ein fünfzehntes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements 1, bei dem der Schichtenstapel 2 zwei aneinander grenzende Stromeinengungsschichten 5 aufweist, deren zweite Bereiche 5B unterschiedliche laterale Ausdehnungen b aufweisen. Dadurch kann ein gewünschtes Stromprofil gezielt eingestellt werden. Dabei weist die Stromeinengungsschicht 5, die weiter entfernt von der aktiven Zone 4 angeordnet ist, einen zweiten Bereich 5B mit größerer lateraler Ausdehnung b auf. Weiterhin weist die Stromeinengungsschicht 5, die sich näher an der aktiven Zone 4 befindet, mit Vorteil eine höhere Dotierung auf als die andere Stromeinengungsschicht 5. Insbesondere kann hierbei eine Stromüberhöhung am Übergang zwischen den beiden zweiten Bereichen 5B der Stromeinengungsschichten 5 abgemildert werden.
  • 13 zeigt ein sechzehntes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements 1, das zwei Schichtenstapel 2 der oben genannten Art aufweist, die übereinander angeordnet und insbesondere monolithisch integriert sind, wobei zwischen den Schichtenstapeln 2 ein Tunnelübergang 6 angeordnet ist. Der Tunnelübergang 6 umfasst insbesondere zwei hochdotierte Schichten unterschiedlichen Leitungstyps (n- bzw. p-leitend) und dient zur elektrischen Verbindung der Schichtenstapel 2. Das Halbleiterbauelement 1 weist im Bereich des Tunnelübergangs 6 zwei Stromeinengungsschichten 5 auf, die auf gegenüberliegenden Seiten des Tunnelübergangs 6 angeordnet sind. Weiterhin weist das Halbleiterbauelement 1 eine in der Mantelschicht 8 angeordnete Stromeinengungsschicht 5 auf. Mittels der übereinander angeordneten Schichtenstapel 2 kann eine höhere optische Ausgangsleistung erzielt werden, wobei die Seitenfläche 2A vorteilhaftweise durch die Stromeinengungsschichten 5 vor übermäßiger Erwärmung und Degradation geschützt wird.
  • Die in Verbindung mit den 1C bis 13 beschriebenen Halbleiterbauelemente 1 weisen bis auf die genannten Unterschiede insbesondere eine dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechende Struktur des Schichtenstapels auf.
  • 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
    optoelektronisches Halbleiterbauelement
    2
    Schichtenstapel
    2A
    Seitenfläche
    2B
    erste Hauptfläche
    2C
    zweite Hauptfläche
    3
    Substrat
    4
    aktive Zone
    5
    aluminiumhaltige Stromeinengungsschicht
    5A
    erster Bereich
    5B
    zweiter Bereich
    6
    Tunnelübergang
    7
    p-Kontaktschicht
    8
    p-Mantelschicht
    9
    p-Wellenleiter
    11
    n-Mantelschicht
    12
    n-Wellenleiter
    13
    Pufferschicht
    50
    Ausgangsschicht
    b
    laterale Ausdehnung
    d
    vertikale Ausdehnung
    L
    laterale Richtung
    O
    Oxidation
    V
    vertikale Richtung

Claims (15)

  1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) umfassend zumindest einen Schichtenstapel (2) aufweisend - eine aktive Zone (4) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, - zumindest eine aluminiumhaltige Stromeinengungsschicht (5), die einen ersten Bereich (5A) und einen zweiten Bereich (5B) umfasst, wobei der zweite Bereich (5B) eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der erste Bereich (5A), und - eine Seitenfläche (2A), die den Schichtenstapel (2) lateral begrenzt und an der der zweite Bereich (5B) angeordnet ist, wobei der zweite Bereich (5B) ein oxidierter Bereich ist.
  2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste Bereich (5A) AlxGayIn1-x-yAsP enthält und wobei 0,9 ≤ x ≤ 1 und x + y ≤ 1 gilt.
  3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Bereich (5B) einen höheren Sauerstoffgehalt aufweist als der erste Bereich (5A) .
  4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Bereich (5B) eine laterale Ausdehnung (b) zwischen einschließlich 0,1 µm und einschließlich 100 µm aufweist.
  5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromeinengungsschicht (5) eine vertikale Ausdehnung (d) zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 200 nm aufweist.
  6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Schichtenstapel (2) eine erste Hauptfläche (2B) und eine zweite Hauptfläche (2C) aufweist, die jeweils quer zu der Seitenfläche (2A) angeordnet sind, wobei die Stromeinengungsschicht (5) näher an der aktiven Zone (4) als an der ersten und/oder zweiten Hauptfläche (2B, 2C) angeordnet ist.
  7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schichtenstapel (2) zumindest zwei aluminiumhaltige Stromeinengungsschichten (5) aufweist, die sich in ihrer Materialzusammensetzung und/oder vertikalen Ausdehnung (d) und/oder lateralen Ausdehnung (b) der zweiten Bereiche (5B) voneinander unterscheiden.
  8. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das zumindest zwei Schichtenstapel (2) aufweist, die übereinander angeordnet sind, wobei zwischen den Schichtenstapeln (2) ein Tunnelübergang (6) angeordnet ist.
  9. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement (1) ein kantenemittierendes Laserbauelement ist und die Seitenfläche (2A) zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung vorgesehen ist.
  10. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stromeinengungsschicht (5) oder mehrere Stromeinengungsschichten (5) im Bereich zumindest eines der folgenden Elemente des optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) angeordnet sind: p-Kontaktschicht (7), p-Mantelschicht (8), p-Wellenleiter (9), aktive Zone (4), n-Kontaktschicht, n-Mantelschicht (11), n-Wellenleiter (12), Pufferschicht (13), Nukleationsschicht, Tunnelübergang (6) .
  11. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit den aufeinanderfolgenden Schritten: - Bereitstellen zumindest eines Schichtenstapels (2), der zumindest eine aluminiumhaltige Ausgangsschicht (50) und eine Seitenfläche (2A) aufweist, die den Schichtenstapel (2) lateral begrenzt, - Ausbilden einer Stromeinengungsschicht (5) mit einem ersten Bereich (5A) und einem zweiten Bereich (5B), der an der Seitenfläche (2A) angeordnet ist und eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der erste Bereich (5A), dadurch, dass die zumindest eine aluminiumhaltige Ausgangsschicht (50) in dem zweiten Bereich (5B) oxidiert wird.
  12. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Bereich (5B) mittels lateraler Oxidation (0) der Ausgangsschicht (50) ausgehend von der Seitenfläche (2A) erzeugt wird.
  13. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Eindringtiefe der Oxidation (O) durch eine vertikale Ausdehnung (d) der Ausgangsschicht (50) reguliert wird.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei eine Eindringtiefe der Oxidation (O) durch den Aluminiumgehalt der Ausgangsschicht (50) reguliert wird.
  15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei eine Eindringtiefe der Oxidation (O) durch eine Dauer des Oxidationsvorgangs reguliert wird.
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