DE102020126388A1 - Oberflächenemittierender halbleiterlaser - Google Patents

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Martin Behringer
Hubert Halbritter
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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Abstract

Ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) weist ein Substrat (100) und einen über dem Substrat (100) angeordneten Halbleiterschichtstapel (109) auf. Der Halbleiterschichtstapel (109) umfasst einen ersten n-leitenden Resonatorspiegel (110), einen zweiten n-leitenden Resonatorspiegel (120), einen ersten Tunnelübergang (105) sowie eine zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung (30) geeignete aktive Zone (115) auf. Der erste n-leitende Resonatorspiegel (110) ist auf einer dem Substrat (100) zugewandten Seite des Halbleiterschichtstapels (109) angeordnet, der zweite n-leitende Resonatorspiegel (120) ist auf einer vom Substrat (100) abgewandten Seite angeordnet, und der erste Tunnelübergang (105) ist benachbart zu dem ersten n-leitenden Resonatorspiegel (110) angeordnet.

Description

  • Oberflächenemittierende Halbleiterlaser, d.h. Laservorrichtungen, in denen das erzeugte Laserlicht senkrecht zu einer Oberfläche einer Halbleiterschichtanordnung emittiert wird, können beispielsweise in 3D-Sensorsystemen, beispielsweise zur Gesichtserkennung oder zur Abstandsmessung beim autonomen Fahren verwendet werden. Weiterhin sind sie in zahlreichen Consumerprodukten, beispielsweise Anzeigevorrichtungen einsetzbar.
  • Generell werden Anstrengungen unternommen, derartige oberflächenemittierende Laser zu verbessern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser zur Verfügung zu stellen.
  • Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser weist ein Substrat und einen über dem Substrat angeordneten Halbleiterschichtstapel auf. Der Halbleiterschichtstapel weist einen ersten n-leitenden Resonatorspiegel, einen zweiten n-leitenden Resonatorspiegel, einen ersten Tunnelübergang sowie eine zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung geeignete aktive Zone auf. Der erste n-leitende Resonatorspiegel ist auf einer dem Substrat zugewandten Seite des Halbleiterschichtstapels angeordnet, der zweite n-leitende Resonatorspiegel ist auf der vom Substrat abgewandten Seite angeordnet, und der erste Tunnelübergang ist benachbart zu dem ersten n-leitenden Resonatorspiegel angeordnet.
  • Gemäß Ausführungsformen weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser ferner eine erste Stromblende auf, die benachbart zu dem ersten Tunnelübergang angeordnet ist. Beispielsweise kann die erste Stromblende auf einer p-Seite des Tunnelübergangs angeordnet sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die erste Stromblende in den ersten Tunnelübergang integriert sein.
  • Beispielsweise kann das Substrat von einem Wachstumssubstrat zum Aufwachsen des Halbleiterschichtstapels verschieden sein.
  • Gemäß Ausführungsformen kann der Halbleiterschichtstapel eine Vielzahl von aktiven Zonen aufweisen, die übereinander angeordnet sind und die jeweils über Tunnelübergänge miteinander verbunden sind. Weiterhin kann der Halbleiterschichtstapel eine Vielzahl von Stromblenden aufweisen.
  • Gemäß Ausführungsformen können die Stromblenden jeweils benachbart zu einem Tunnelübergang angeordnet sein.
  • Beispielsweise kann der Halbleiterschichtstapel derart ausgebildet sein, dass ein sich im Betrieb des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers in dem optischen Resonator ausbildendes Strahlungsfeld ein Intensitätsminimum an der Position des ersten Tunnelübergangs aufweist.
  • Gemäß Ausführungsformen weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser ferner ein erstes Kontaktelement und ein zweites Kontaktelement zum Einprägen eines Stroms in den oberflächenemittierenden Halbleiterlaser auf, wobei das erste Kontaktelement eine Aussparung zum Auskoppeln von erzeugter Laserstrahlung aufweist und die Aussparung einen Durchmesser größer als 10 µm hat.
  • Beispielsweise kann ein Material des Substrats aus Silizium oder Germanium ausgewählt sein.
  • Gemäß Ausführungsformen enthält der Halbleiterschichtstapel InxGayAl1-x-yN, mit 0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1.
  • Eine optoelektronische Halbleitervorrichtung umfasst eine Vielzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern wie vorstehend definiert.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers umfasst das Ausbilden eines Halbleiterschichtstapels über einem Wachstumssubstrat, wobei der Halbleiterschichtstapel einen ersten n-leitenden Resonatorspiegel, einen zweiten n-leitenden Resonatorspiegel, einen ersten Tunnelübergang benachbart zu dem ersten n-leitenden Resonatorspiegel, sowie eine zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung geeignete aktive Zone aufweist. Das Verfahren umfasst weiterhin das Aufbringen eines Substrats über einer zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterschichtstapels, so dass der erste n-leitende Resonatorspiegel auf einer dem Substrat zugewandten Seite des Halbleiterschichtstapels angeordnet ist, der zweite n-leitende Resonatorspiegel auf der vom Substrat abgewandten Seite angeordnet ist und der erste Tunnelübergang benachbart zu dem ersten n-leitenden Resonatorspiegel angeordnet ist, und das Entfernen des Wachstumssubstrats von dem Halbleiterschichtstapel.
  • Figurenliste
  • 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.
    • 1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß Ausführungsformen.
    • 1B zeigt eine Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen.
    • 1C zeigt eine Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen.
    • 2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen.
    • 2B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen.
    • 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine optoelektronische Halbleitervorrichtung.
    • 4A fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.
    • 4B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Werkstücks bei Durchführung eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • 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, 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.
  • 1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 10 gemäß Ausführungsformen. Der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 10 weist ein Substrat 100 sowie einen über dem Substrat angeordneten Halbleiterschichtstapel 109 auf. Der Halbleiterschichtstapel 109 umfasst einen ersten n-leitenden Resonatorspiegel 110, einen zweiten n-leitenden Resonatorspiegel, einen ersten Tunnelübergang 105 sowie eine zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung aktive Zone 115 auf. Der erste n-leitende Resonatorspiegel 110 ist auf einer dem Substrat 100 zugewandten Seite des Halbleiterschichtstapels angeordnet. Der zweite n-leitende Resonatorspiegel 120 ist auf der vom Substrat 100 abgewandten Seite angeordnet. Der erste Tunnelübergang 105 ist benachbart zu dem ersten n-leitenden Resonatorspiegel 110 angeordnet. Zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 110, 120 ist ein optischer Resonator 113 ausgebildet.
  • Beispielsweise kann eine aktive Zone 115 zwischen erster und zweiter Halbleiterschicht angeordnet sein. Die aktive Zone kann beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-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.
  • Ein Tunnelübergang oder eine Tunneldiode weist eine p++-dotierte Schicht, eine n++-dotierte Schicht sowie optional eine Zwischenschicht auf. Durch den Tunnelübergang, dessen n-Seite mit einer positiven Elektrode verbunden ist, werden Löcher in die aktive Zone injiziert. Als Folge rekombinieren die injizierten Löcher mit den durch eine negative Elektrode bereitgestellten Elektronen unter Emission von Photonen. Der Tunnelübergang ist insbesondere geeignet, einen Halbleiterbereich vom p-Typ mit dem ersten n-dotierten Resonatorspiegel 110 elektrisch seriell zu verbinden.
  • Sowohl der erste als auch der zweite Resonatorspiegel sind als DBR-Spiegel ausgeführt.
  • Beispielsweise weisen sowohl der erste als auch der zweite Resonatorspiegel 110, 120 jeweils alternierend gestapelte erste Schichten und zweite Schichten einer zweiten Zusammensetzung auf. Die jeweils alternierend gestapelten Schichten des ersten oder zweiten Resonatorspiegels 110, 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.
  • 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 110, 120 kann beispielsweise 2 bis 50 Einzelschichten aufweisen. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 150 nm, beispielsweise 50 nm betragen. Der Halbleiterschichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind. Beispielsweise kann der erste Resonatorspiegel 110 ein Gesamtreflexionsvermögen von 99,8 % oder mehr für die Laserstrahlung haben. Der zweite Resonatorspiegel 120 kann als Auskoppelspiegel für die Strahlung aus dem Resonator ausgebildet sein und weist beispielsweise ein geringeres Reflexionsvermögen als der erste Resonatorspiegel auf.
  • In der aktiven Zone 115 erzeugte elektromagnetische Strahlung kann zwischen dem ersten Resonatorspiegel 110 und dem zweiten Resonatorspiegel 120 derart reflektiert werden, dass sich im Resonator ein Strahlungsfeld 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 110, 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 zweiten Resonatorspiegel 120 aus dem Resonator ausgekoppelt werden. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser 10 stellt somit einen sogenannten VCSEL, d.h. oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit Vertikalresonator („Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser“) dar.
  • Gemäß Ausführungsformen können die alternierend gestapelten Schichten zur Ausbildung des ersten und/oder zweiten Resonatorspiegels 110, 120 Halbleiterschichten aufweisen, von denen mindestens eine Schicht jeweils dotiert ist. Beispielsweise ist mindestens eine Halbleiterschicht der gestapelten Schichten des ersten Resonatorspiegels 110 n-leitend. In entsprechender Weise kann mindestens eine der Halbleiterschichten des zweiten Resonatorspiegels 120 n-leitend sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen kann mindestens der erste oder der zweite Resonatorspiegel 110, 120 dielektrische Schichten aufweisen. 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.
  • Sowohl der erste als auch der zweite Resonatorspiegel 110, 120 sind jeweils als n-leitende Resonatorspiegel ausgeführt. Beide Resonatorspiegel umfassen somit n-dotierte Halbleiterschichten. Generell haben n-dotierte Halbleiterschichten, insbesondere im Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialsystem, eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit, geringere Verluste sowie verbesserte thermische Eigenschaften als p-dotierte Schichten. Weiterhin weisen sie eine verringerte Absorption der erzeugten elektromagnetischen Strahlung auf. Dadurch, dass bei dem hier beschriebenen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser n-dotierte Schichten verwendet werden, kann die Stromaufweitung verbessert werden. Als Ergebnis können insbesondere oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit einer großen Apertur d verwirklicht werden. Trotz der großen Apertur kann eine homogene Stromeinprägung erreicht werden.
  • Der Tunnelübergang 105 ist geeignet, einen ersten Halbleiterbereich 125, der eine Halbleiterschicht vom p-Typ aufweist und beispielsweise vollständig vom p-Typ ist, mit dem ersten Resonatorspiegel 110 elektrisch seriell zu verbinden. Der Tunnelübergang 105 ist benachbart zu dem ersten Resonatorspiegel 110 angeordnet. Der Begriff „benachbart zu“ kann in diesem Zusammenhang bedeuten, dass der Tunnelübergang 105 direkt an den Resonatorspiegel 110 angrenzt. Weitere Zwischenschichten können zwischen dem Tunnelübergang 105 und dem ersten Resonatorspiegel 110 angeordnet sein, so lange sie die Funktionalität dieser Anordnung nicht beeinträchtigen.
  • Ein zweiter Halbleiterbereich 130, der eine Schicht vom n-Typ aufweist und beispielsweise vollständig vom n-Typ ist, ist zwischen der aktiven Zone 115 und dem zweiten Resonatorspiegel 120 angeordnet. Ein erstes Kontaktelement 101, beispielsweise eine Kontaktmetallisierung, ist auf der vom Substrat 100 abgewandten Seite des Halbleiterschichtstapels 109 angeordnet. Ein zweites Kontaktelement 102 ist beispielsweise auf der von dem Halbleiterschichtstapel 109 abgewandten Seite des Substrats 100 angeordnet. Über das erste und zweite Kontaktelement 101, 102 können im Betrieb des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers Ladungsträger in den Halbleiterschichtstapel 109 injiziert werden, die beispielsweise in der aktiven Zone 115 unter Strahlungserzeugung rekombinieren können.
  • Beispielsweise weist das erste Kontaktelement 101 eine Ausparung 112 für den Strahlungsdurchtritt auf und ist beispielsweise als Ringkontakt ausgeführt. Eine Öffnung des Ringkontakts für den Strahlungsdurchtritt kann in Draufsicht auf die erste Hauptoberfläche 103 des Halbleiterschichtstapels 109 kreisartig oder ellipsenartig ausgeführt sein. Beispielsweise kann eine ellipsenartige Form der Aussparung 112 die Polarisation der erzeugten elektromagnetischen Strahlung beeinflussen. Ein Durchmesser d der Aussparung 112 des Ringkontakts kann beispielsweise größer als 10 µm, beispielsweise größer als 20 µm sein.
  • Wie in 1A dargestellt, ist der erste Halbleiterbereich 125, der eine p-dotierte Schicht aufweist, auf der dem Substrat 100 zugewandten Seite des Halbleiterschichtstapels 109 angeordnet. Üblicherweise wird der Halbleiterschichtstapel 109 durch epitaktisches Aufwachsen der einzelnen Halbleiterschichten auf ein Wachstumssubstrat aufgewachsen. Gemäß Ausführungsformen kann bei Herstellung eines sogenannten „Thin-Film“-Bauelements nach Aufwachsen des Halbleiterschichtstapels ein vom Wachstumssubstrat verschiedenes Substrat mit der sich ergebenden Wachstumsoberfläche verbunden werden. Sodann kann das Wachstumssubstrat von dem Halbleiterschichtstapel entfernt werden. Als Ergebnis liegt ein Halbleiterschichtstapel 109 mit einer gegenüber der Wachstumsrichtung invertierten Schichtfolge der einzelnen Halbleiterschichten vor.
  • Gemäß Ausführungsformen, die in 1A dargestellt sind, lässt sich dadurch, dass der erste Tunnelübergang 105 angrenzend an den ersten Resonatorspiegel 110, der nicht zur Strahlungsauskopplung vorgesehen ist, angeordnet ist, der erste Halbleiterbereich 125, der eine p-dotierte Halbleiterschicht aufweist, auf der Seite des Substrats 100 anordnen. Entsprechend ist es möglich, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit n-dotierten Resonatorspiegeln durch ein sogenanntes Thin-Film-Verfahren oder Thin-GaN-Verfahren herzustellen, so dass der erste p-dotierte Halbleiterbereich 125 auf der dem Substrat 100 zugewandten Seite des Halbleiterschichtstapels 100 angeordnet ist. Das Substrat 100 kann vom Wachstumssubstrat verschieden sein und beispielsweise Silizium oder Germanium umfassen. Auf diese Weise ist eine größere Öffnung der Austrittsöffnung des ersten Kontaktelements 101 in Kombination mit einem Thin-Film-Bauelement realisierbar.
  • Beispielsweise kann der erste Tunnelübergang an der Position eines Knotens der sich in dem optischen Resonator ausbildenden stehenden Welle angeordnet sein. Auf diese Weise wird die Absorption elektromagnetischer Strahlung durch den Tunnelübergang verringert.
  • 1B zeigt eine schematische Querschnittsansicht des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen. Zusätzlich zu den in 1A dargestellten Komponenten weist dieser eine erste Stromblende 135 auf. Diese kann beispielsweise in Kontakt mit dem ersten Tunnelübergang auf der von dem ersten Resonatorspiegel 110 abgewandten Seite angeordnet sein. Die Stromblende 135 kann beispielsweise als eine Oxidblende ausgeführt sein. Hierzu wird beispielsweise die Al-dotiertes Schicht des ersten Halbleiterbereichs 125 mit hohem Aluminiumgehalt lateral oxidiert, so dass in einem zentralen Bereich ein nicht oxidierter Bereich hoher Leitfähigkeit und im Randbereich ein oxidierter Bereich geringerer Leitfähigkeit ausgebildet wird. Generell kann der Stromfluss innerhalb des Halbleiterschichtstapels 109 über die Stromblenden auf den Zentralbereich des Halbleiterschichtstapels 109 konzentriert werden, wodurch einerseits eine Schwellstromdichte vereinfacht erreicht wird. Weiterhin kann die Gefahr nicht strahlender Rekombination in Randbereichen des Halbleiterschichtstapels 109 verringert werden. Dadurch, dass die Stromblende 135 auf der von dem ersten Resonatorspiegel 110 abgewandten Seite des Tunnelübergangs 105 und somit auf der p-Seite angeordnet ist, kann ihr konzentrierender Effekt verstärkt werden. Genauer gesagt bewegen sich aufgrund der verringerten Löcherbeweglichkeit diese nicht so schnell wieder in den Randbereich.
  • Wie in 1B dargestellt, wird die erste Stromblende 135 gemäß Ausführungsformen als Teil des Tunnelübergangs 105 ausgebildet. Beispielsweise kann ein Teil der p-dotierten Schicht des Tunnelübergangs 105 oxidiert werden.
  • Anstatt ein Halbleitermaterial für eine Stromblende mittels Oxidation elektrisch zu veröden, kann eine Stromblende auch mittels elektrischer Verödung durch beispielsweise Implantation, z.B. Protonenimplantation, im Halbleiterschichtstapel 109 ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Stromblende 135 in der Nähe eines Intensitätsknotens der sich ausbildenden stehenden Welle angeordnet werden. Auf diese Weise kann die durch Absorption erzeugte Laserstrahlung durch die erste Stromblende 135 verringert werden.
  • 1C zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen. Abweichend von Ausführungsformen, die in 1B dargestellt sind, ist hier die erste Stromblende 135 außerhalb des Tunnelübergangs 105 angeordnet, nämlich direkt angrenzend an den ersten Tunnelübergang 105 im ersten p-dotierten Halbleiterbereich 125.
  • 2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. Zusätzlich zu den in 1A, 1B oder 1C dargestellten Komponenten ist hier eine Vielzahl von aktiven Zonen 115 in dem Halbleiterschichtstapel 109 ausgebildet. Die Vielzahl aktiver Zonen 115 grenzen jeweils an einen ersten Halbleiterbereich 125, der eine p-dotierte Halbleiterschicht aufweist, und einen zweiten Halbleiterbereich 130, der eine n-dotierte Halbleiterschicht aufweist, an. Die Anordnung aus erstem Halbleiterbereich 125, aktiver Zone 115 und zweitem Halbleiterbereich 130 ist jeweils über weitere Tunnelübergänge 106 mit angrenzenden aktiven Zonen 115 seriell verbunden. Dadurch, dass der dargestellte oberflächenemittierende Halbleiterlaser 10 eine Vielzahl aktiver Zonen 115 aufweist, kann die erzeugte Strahlungsdichte erhöht werden.
  • 2B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen. Zusätzlich zu den in 2A dargestellten Komponenten weist der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 10 eine Vielzahl von weiteren Stromblenden 136 auf, die ähnlich wie die erste Stromblende 135 ausgeführt sein können. Beispielsweise können die weiteren Stromblenden 136 jeweils in dem ersten p-dotierten Halbleiterbereich 125 angeordnet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann sie auch in einem Teil des Tunnelübergangs 105 ausgebildet sein.
  • Aufgrund der Anwesenheit der Vielzahl von weiteren Stromblenden 136 kann die Stromführung weiter verbessert werden. Beispielsweise kann die Position der Tunnelübergänge 106, 105 derart ausgestaltet sein, dass sie jeweils an Knoten von sich ausbildenden stehenden Wellen der elektromagnetischen Strahlung angeordnet sind. Entsprechend können in diesem Fall auch die weiteren Stromblenden an Bereichen mit geringer Intensität angeordnet sein, so dass nur ein geringer Teil der erzeugten elektromagnetischen Strahlung durch die Stromblenden absorbiert wird.
  • 3 zeigt eine optoelektronische Halbleitervorrichtung mit einer Vielzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern wie vorstehend beschrieben. Die optoelektronische Halbleitervorrichtung kann beispielsweise eine Anzeigevorrichtung, eine Projektionsvorrichtung oder eine Laserquelle für einen Sensor, beispielsweise ein LIDAR-System sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die optoelektronische Halbleitervorrichtung auch eine Beleuchtungslösung darstellen. Beispielsweise kann durch sie eine dreidimensionale Time-of-Flight-/ Gesichtserkennungsbeleuchtung oder eine Beleuchtung mit strukturiertem Licht realisiert sein.
  • 4A fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen. Ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers umfasst das Ausbilden (S100) eines Halbleiterschichtstapels über einem Wachstumssubstrat, wobei der Halbleiterschichtstapel einen ersten n-leitenden Resonatorspiegel, einen zweiten n-leitenden Resonatorspiegel, einen ersten Tunnelübergang benachbart zu dem ersten n-leitenden Resonatorspiegel, sowie eine zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung aktive Zone aufweist. Das Verfahren umfasst weiterhin das Aufbringen (S110) eines Substrats über einer zweiten Hauptoberfläche des Halbleiterschichtstapels, so dass der erste n-leitende Resonatorspiegel auf einer dem Substrat zugewandten Seite des Halbleiterschichtstapels angeordnet ist, der zweite n-leitende Resonatorspiegel auf der vom Substrat abgewandten Seite angeordnet ist und der erste Tunnelübergang benachbart zu dem ersten n-leitenden Resonatorspiegel angeordnet ist, und das Entfernen (S120) des Wachstumssubstrats von dem Halbleiterschichtstapel.
  • 4B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Werkstücks 15 bei Durchführung eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen. Über einem geeigneten Wachstumssubstrat 118, das beispielsweise aus Saphir aufgebaut sein kann, ist ein Halbleiterschichtstapel 109 gewachsen. Der Halbleiterschichtstapel 109 weist beispielsweise einen ersten Resonatorspiegel 110 und einen zweiten Resonatorspiegel 120, eine aktive Zone 115, die geeignet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen und einen ersten Tunnelübergang 105 auf. Der Halbleiterschichtstapel 109 kann beliebige weitere Schichten, die unter Bezugnahme auf die 1A bis 2B erläutert worden sind, aufweisen. Ein erster Halbleiterbereich 125, der eine p-leitfähige Schicht aufweist, und ein zweiter Halbleiterbereich 130, der eine n-leitfähige Schicht aufweist, sind auf gegenüberliegenden Seiten der aktiven Zone 115 angeordnet. Der erste Halbleiterbereich 125 wird nach Aufwachsen des zweiten Halbleiterbereichs 130 aufgewachsen. Der zweite Resonatorspiegel 120 ist auf der dem Wachstumssubstrat 118 zugewandten Seite des Halbleiterschichtstapels 109 angeordnet. Tunnelübergänge 106 können vorgesehen sein, um mehrere aktive Zonen 115 in Reihe zu schalten. Der erste Resonatorspiegel 110 ist auf der dem Wachstumssubstrat 118 abgewandten Seite des Halbleiterschichtstapels 109 angeordnet. Der erste Tunnelübergang 105 ist benachbart zum ersten Resonatorspiegel 110 angeordnet. In einem darauf folgenden Prozessschritt wird das Substrat (nicht gezeigt in 4B) über der ersten Hauptoberfläche 104 des Halbleiterschichtstapels 109 aufgebracht. Nachfolgend wird das Wachstumssubstrat 118 entfernt. Als Folge wird die Reihenfolge der Schichten über dem Substrat 100 gegenüber der Aufwachsreihenfolge umgekehrt. Weiterhin ist das Substrat 100 von dem Aufwachssubstrat 118 verschieden. Sodann können weitere Elemente, die unter Bezugnahme auf die 1A bis 2B erläutert worden sind, ausgebildet werden.
  • 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
    oberflächenemittierender Halbleiterlaser
    15
    Werkstück
    20
    optoelektronische Halbleitervorrichtung
    30
    erzeugte Laserstrahlung
    100
    Substrat
    101
    erstes Kontaktelement
    102
    zweites Kontaktelement
    103
    erste Hauptoberfläche
    104
    zweite Hauptoberfläche
    105
    erster Tunnelübergang
    106
    Tunnelübergang
    109
    Schichtstapel
    110
    erster Resonatorspiegel
    112
    Aussparung
    113
    optischer Resonator
    115
    aktive Zone
    118
    Wachstumssubstrat
    120
    zweiter Resonatorspiegel
    125
    erster Halbleiterbereich
    130
    zweiter Halbleiterbereich
    135
    erste Stromblende
    136
    Stromblende
    S100
    Ausbilden eines Halbleiterschichtstapels
    S110
    Aufbringen eines Substrats
    S120
    Entfernen des Wachstumssubstrats

Claims (14)

  1. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10), mit einem Substrat (100) und einem über dem Substrat (100) angeordneten Halbleiterschichtstapel (109), wobei der Halbleiterschichtstapel (109) einen ersten n-leitenden Resonatorspiegel (110), einen zweiten n-leitenden Resonatorspiegel (120), einen ersten Tunnelübergang (105) sowie eine zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung (30) geeignete aktive Zone (115) aufweist, wobei der erste n-leitende Resonatorspiegel (110) auf einer dem Substrat (100) zugewandten Seite des Halbleiterschichtstapels (109) angeordnet ist, der zweite n-leitende Resonatorspiegel (120) auf einer vom Substrat (100) abgewandten Seite angeordnet ist und der erste Tunnelübergang (105) benachbart zu dem ersten n-leitenden Resonatorspiegel (110) angeordnet ist.
  2. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 1, ferner mit einer ersten Stromblende (135), die benachbart zu dem ersten Tunnelübergang (105) angeordnet ist.
  3. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 2, bei dem die erste Stromblende (135) auf einer p-Seite des Tunnelübergangs (105) angeordnet ist.
  4. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 1, ferner mit einer ersten Stromblende (135), die in den ersten Tunnelübergang (105) integriert ist.
  5. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (100) von einem Wachstumssubstrat (118) zum Aufwachsen des Halbleiterschichtstapels (109) verschieden ist.
  6. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Halbleiterschichtstapel (109) eine Vielzahl von aktiven Zonen (115) aufweist, die übereinander angeordnet sind und die jeweils über Tunnelübergänge (106) miteinander verbunden sind.
  7. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 6, bei dem der Halbleiterschichtstapel (109) ferner eine Vielzahl von Stromblenden (136) aufweist.
  8. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 7, bei dem die Stromblenden (136) jeweils benachbart zu einem Tunnelübergang (106) angeordnet sind.
  9. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterschichtstapel (109) derart ausgebildet ist, dass ein sich im Betrieb des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers in dem optischen Resonator (113) ausbildendes Strahlungsfeld ein Intensitätsminimum an der Position des ersten Tunnelübergangs (105) aufweist.
  10. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem ersten Kontaktelement (101) und einem zweiten Kontaktelement (102) zum Einprägen eines Stroms in den oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (10), wobei das erste Kontaktelement (101) eine Aussparung (112) zum Auskoppeln von erzeugter Laserstrahlung (30) aufweist und die Aussparung (112) einen Durchmesser größer als 10 µm hat.
  11. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Material des Substrats (100) aus Silizium oder Germanium ausgewählt ist.
  12. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterschichtstapel (109) InxGayAl1-x-yN enthält, mit 0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1.
  13. Optoelektronische Halbleitervorrichtung (20) mit einer Vielzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
  14. Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers (10), umfassend: Ausbilden (S100) eines Halbleiterschichtstapels (109) über einem Wachstumssubstrat (118), wobei der Halbleiterschichtstapel (109) einen ersten n-leitenden Resonatorspiegel (110), einen zweiten n-leitenden Resonatorspiegel (120), einen ersten Tunnelübergang (105) benachbart zu dem ersten n-leitenden Resonatorspiegel (110), sowie eine zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung (30) geeignete aktive Zone (115) aufweist, Aufbringen (S110) eines Substrats (100) über einer zweiten Hauptoberfläche (104) des Halbleiterschichtstapels (109), so dass der erste n-leitende Resonatorspiegel (110) auf einer dem Substrat (100) zugewandten Seite des Halbleiterschichtstapels (109) angeordnet ist, der zweite n-leitende Resonatorspiegel (120) auf der vom Substrat (100) abgewandten Seite angeordnet ist und der erste Tunnelübergang (105) benachbart zu dem ersten n-leitenden Resonatorspiegel (110) angeordnet ist, und Entfernen (S120) des Wachstumssubstrats von dem Halbleiterschichtstapel (109).
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