DE102021100391A1 - EDGE EMITTING SEMICONDUCTOR LASER DIODE AND METHOD FOR MANUFACTURING AN EDGE EMITTING SEMICONDUCTOR LASER DIODE - Google Patents

EDGE EMITTING SEMICONDUCTOR LASER DIODE AND METHOD FOR MANUFACTURING AN EDGE EMITTING SEMICONDUCTOR LASER DIODE Download PDF

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Abstract

Die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode umfasst in mindestens einer Ausführungsform eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone zur Erzeugung einer Laserstrahlung, einen Verstärkungsbereich, in dem die aktive Zone elektrisch gepumpt wird, eine Reflexionsfacette und eine Auskoppelfacette. Der Verstärkungsbereich ist von der Auskoppelfacette beabstandet. Zwischen dem Verstärkungsbereich und der Auskoppelfacette weist die Halbleiterschichtenfolge einen Linsenbereich auf. Der Linsenbereich weist einen Brechungsindex auf, der sich von einem Brechungsindex der übrigen Halbleiterschichtenfolge um mindestens 0,1 % unterscheidet. Der Linsenbereich ist dazu eingerichtet, einen Divergenzwinkel einer im Betrieb erzeugten Laserstrahlung zu verringern.In at least one embodiment, the edge-emitting semiconductor laser diode comprises a semiconductor layer sequence with an active zone for generating laser radiation, an amplification region in which the active zone is electrically pumped, a reflection facet and a coupling-out facet. The gain area is spaced from the output facet. The semiconductor layer sequence has a lens area between the amplification area and the coupling-out facet. The lens area has a refractive index that differs from a refractive index of the remaining semiconductor layer sequence by at least 0.1%. The lens area is set up to reduce a divergence angle of a laser radiation generated during operation.

Description

Es wird eine kantenemittierende Halbleiterlaserdiode angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung einer kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode angegeben.An edge-emitting semiconductor laser diode is specified. In addition, a method for producing an edge-emitting semiconductor laser diode is specified.

Die Druckschrift Kissel et al., Tailored bars at 876 nm for high-brightness fiber-coupled modules, Proc. SPIE 10086, High-Power Diode Laser Technology XV, 100860B, 2017 beschreibt ein Halbleiterlaserdiodenmodul, dessen optische Ausgangsleistung aufgrund eines maximalen lateralen Divergenzwinkels beschränkt ist.The publication Kissel et al., Tailored bars at 876 nm for high-brightness fiber-coupled modules, Proc. SPIE 10086, High-Power Diode Laser Technology XV, 100860B, 2017 describes a semiconductor laser diode module whose optical output power is limited due to a maximum lateral divergence angle.

Eine zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, eine kantenemittierende Halbleiterlaserdiode anzugeben, die auch bei hohen optischen Ausgangsleistungen einen kleinen Divergenzwinkel aufweist. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleiterlaserdiode anzugeben.One problem to be solved is, inter alia, to specify an edge-emitting semiconductor laser diode which has a small divergence angle even at high optical output powers. Another problem to be solved is, inter alia, to specify a method for producing such a semiconductor laser diode.

Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst beziehungsweise durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Patentansprüche.These objects are achieved by an object having the features of independent patent claim 1 or by a method having the features of independent patent claim 10. Advantageous refinements and developments are the subject of the respective dependent patent claims.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode umfasst diese eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone zur Erzeugung einer Laserstrahlung. Beispielsweise umfasst die Halbleiterschichtenfolge zumindest eine p-leitende Halbleiterschicht und zumindest eine n-leitende Halbleiterschicht, wobei die aktive Zone zwischen der p-leitenden Schicht und der n-leitenden Schicht angeordnet ist. Die aktive Zone beinhaltet insbesondere wenigstens eine Quantentopfstruktur in Form eines einzelnen Quantentopfs, kurz SQW, oder in Form eines Multiquantentopfs, kurz MQW, zur Erzeugung der Laserstrahlung. Zusätzlich beinhaltet die aktive Zone eine, bevorzugt mehrere Nebentopfstrukturen. Beispielsweise wird in der aktiven Zone im bestimmungsgemäßen Betrieb Laserstrahlung im blauen oder grünen oder roten Spektralbereich oder im UV-Bereich oder im IR-Bereich erzeugt. Insbesondere ist es möglich, dass in der aktiven Zone elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich dem IR-Bereich und einschließlich dem UV-Bereich erzeugt wird.In accordance with at least one embodiment of the edge-emitting semiconductor laser diode, it comprises a semiconductor layer sequence with an active zone for generating laser radiation. For example, the semiconductor layer sequence comprises at least one p-conducting semiconductor layer and at least one n-conducting semiconductor layer, the active zone being arranged between the p-conducting layer and the n-conducting layer. The active zone contains in particular at least one quantum well structure in the form of a single quantum well, SQW for short, or in the form of a multiple quantum well, MQW for short, for generating the laser radiation. In addition, the active zone contains one, preferably several side well structures. For example, laser radiation in the blue or green or red spectral range or in the UV range or in the IR range is generated in the active zone during normal operation. In particular, it is possible for electromagnetic radiation to be generated in the active zone in a wavelength range between the IR range and the UV range.

Beispielsweise basiert die Halbleiterschichtenfolge auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial, zum Beispiel auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial, wie etwa AlnIn1-n-mGamN, oder einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel AlnIn1-n-mGamP, oder auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel AlnIn1-n-mGamAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.For example, the semiconductor layer sequence is based on a III-V compound semiconductor material, for example a nitride compound semiconductor material, such as Al n In 1-nm Ga m N, or a phosphide compound semiconductor material, such as Al n In 1-nm Ga m P, or on a Arsenide compound semiconductor material, such as Al n In 1-nm Ga m As, where 0≦n≦1, 0≦m≦1, and m+n≦1, respectively. In this case, the semiconductor layer sequence can have dopants and additional components. For the sake of simplicity, however, only the essential components of the crystal lattice of the semiconductor layer sequence are specified, even if these can be partially replaced and/or supplemented by small amounts of other substances.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode oder ihrer oben beschriebenen Ausführungsform umfasst die kantenemittierende Halbleiterlaserdiode einen Verstärkungsbereich, in dem die aktive Zone elektrisch gepumpt wird. Insbesondere ist der Verstärkungsbereich Teil der Halbleiterschichtenfolge. Der Verstärkungsbereich ist beispielsweise ein Bereich der Halbleiterschichtenfolge, in dem die aktive Zone bestromt wird. Bevorzugt wird im bestimmungsgemäßen Betrieb die aktive Zone ausschließlich im Verstärkungsbereich bestromt.In accordance with at least one embodiment of the edge-emitting semiconductor laser diode or its embodiment described above, the edge-emitting semiconductor laser diode comprises an amplification region in which the active zone is electrically pumped. In particular, the amplification region is part of the semiconductor layer sequence. The amplification area is, for example, an area of the semiconductor layer sequence in which the active zone is energized. In normal operation, the active zone is preferably energized exclusively in the amplification area.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterlaserdiode eine Reflexionsfacette und eine Auskoppelfacette auf. Die Reflexionsfacette und die Auskoppelfacette begrenzen die Halbleiterlaserdiode in einer Abstrahlrichtung. Die Abstrahlrichtung ist hier und im Folgenden eine Richtung, in welcher die im Betrieb von der Halbleiterlaserdiode abgegebene Strahlung ihr Intensitätsmaximum aufweist. Die Abstrahlrichtung ist insbesondere senkrecht zur Auskoppelfacette.In accordance with at least one embodiment of the semiconductor laser diode or one of its embodiments described above, the semiconductor laser diode has a reflection facet and a coupling-out facet. The reflection facet and the decoupling facet delimit the semiconductor laser diode in an emission direction. Here and below, the emission direction is a direction in which the radiation emitted by the semiconductor laser diode during operation has its intensity maximum. The emission direction is in particular perpendicular to the coupling-out facet.

Insbesondere weist die Reflexionsfacette weist für die im bestimmungsgemäßen Betrieb in der aktiven Zone erzeugte Laserstrahlung eine Reflektivität von mindestens 95 % oder mindestens 99 % auf.In particular, the reflection facet has a reflectivity of at least 95% or at least 99% for the laser radiation generated in the active zone during normal operation.

Die Auskoppelfacette bildet bevorzugt eine Emissionsfläche der Halbleiterlaserdiode. Die Auskoppelfacette ist beispielsweise mit einer Antireflexbeschichtung beschichtet. The coupling-out facet preferably forms an emission surface of the semiconductor laser diode. The coupling-out facet is coated with an anti-reflection coating, for example.

Eine prinzipielle Funktionsweise und Beispiele für kantenemittierende Halbleiterlaserdioden sind beispielsweise in den Druckschriften DE 10 2011 055 891 B4 und DE 10 2015 116 335 A1 beschrieben, deren dahingehender Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.A basic mode of operation and examples for edge-emitting semiconductor laser diodes are, for example, in the publications DE 10 2011 055 891 B4 and DE 10 2015 116 335 A1 described, the pertinent disclosure content of which is hereby incorporated by reference.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen ist der Verstärkungsbereich von der Auskoppelfacette beabstandet. Vorzugsweise ist der Verstärkungsbereich ebenso von der Reflexionsfacette beabstandet. Durch einen Abstand des Verstärkungsbereichs sowohl von der Auskoppelfacette als auch von der Reflexionsfacette wird vorteilhafterweise im Betrieb die Halbleiterschichtenfolge an der Auskoppel- und Reflexionsfacette nicht bestromt. Dadurch kann eine Belastung der Auskoppel- und Reflexionsfacette, beispielsweise eine thermische Belastung durch hohe Leistungsdichten, verringert werden.In accordance with at least one embodiment of the semiconductor laser diode or one of its embodiments described above, the amplification region is spaced apart from the coupling-out facet de. Preferably, the gain region is also spaced from the reflective facet. Due to a spacing of the amplification region both from the coupling-out facet and from the reflection facet, the semiconductor layer sequence at the coupling-out and reflection facet is advantageously not energized during operation. As a result, a load on the decoupling and reflection facet, for example a thermal load due to high power densities, can be reduced.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge zwischen dem Verstärkungsbereich und der Auskoppelfacette einen Linsenbereich auf. Ein Brechungsindex des Linsenbereichs unterscheidet sich von einem Brechungsindex der übrigen Halbleiterschichtenfolge bevorzugt um mindestens 0,1 % oder mindestens 0,5 % oder mindestens 1 %. Der Linsenbereich ist insbesondere ein Teil der Halbleiterschichtenfolge. Bevorzugt ist der Linsenbereich von der Auskoppelfacette beabstandet. Zum Beispiel beträgt ein Brechungsindexunterschied zwischen dem Linsenbereich und der übrigen Halbleiterschichtenfolge mindestens 1 × 10-3 oder mindestens 0,1. Alternativ oder zusätzlich beträgt der Brechungsindexunterschied höchstens 0,3 oder höchstens 1.According to at least one embodiment of the semiconductor laser diode or one of its embodiments described above, the semiconductor layer sequence has a lens area between the amplification area and the coupling-out facet. A refractive index of the lens region preferably differs from a refractive index of the remaining semiconductor layer sequence by at least 0.1% or at least 0.5% or at least 1%. The lens area is in particular a part of the semiconductor layer sequence. The lens area is preferably at a distance from the coupling-out facet. For example, a refractive index difference between the lens area and the remaining semiconductor layer sequence is at least 1×10 -3 or at least 0.1. Alternatively or additionally, the refractive index difference is at most 0.3 or at most 1.

Bei den hier und im Folgenden genannten Brechungsindices eines bestimmten Bereichs oder einer bestimmten Schicht handelt es sich beispielsweise jeweils um einen mittleren Brechungsindex des genannten Bereichs oder der genannten Schicht bei einer Peakwellenlänge der im Betrieb in der aktiven Zone erzeugten Laserstrahlung. Die Peakwellenlänge der Laserstrahlung ist die Wellenlänge, bei der die Laserstrahlung ihr Intensitätsmaximum aufweist.The refractive indices of a specific region or a specific layer mentioned here and below are, for example, in each case a mean refractive index of said region or of said layer at a peak wavelength of the laser radiation generated in the active zone during operation. The peak wavelength of the laser radiation is the wavelength at which the laser radiation has its maximum intensity.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen ist der Linsenbereich dazu eingerichtet, einen Divergenzwinkel einer im Betrieb erzeugten Laserstrahlung zu verringern.In accordance with at least one embodiment of the semiconductor laser diode or one of its embodiments described above, the lens area is set up to reduce a divergence angle of a laser radiation generated during operation.

Insbesondere ist der Linsenbereich dazu eingerichtet, eine laterale Aufweitung der Laserstrahlung, also einen lateralen Divergenzwinkel, zu verringern. Mit „lateraler Aufweitung“ ist hier und im Folgenden eine Aufweitung der Laserstrahlung in einer Ebene parallel zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterlaserdiode gemeint. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Linsenbereich dazu eingerichtet ist eine vertikale Aufweitung, also einen vertikalen Divergenzwinkel, zu verringern. Mit „vertikaler Aufweitung“ ist hier und im Folgenden eine Aufweitung der Laserstrahlung senkrecht zur lateralen Aufweitung gemeint.In particular, the lens area is set up to reduce a lateral widening of the laser radiation, ie a lateral divergence angle. Here and in the following, “lateral widening” means a widening of the laser radiation in a plane parallel to a main extension plane of the semiconductor laser diode. Alternatively or additionally, it is possible for the lens area to be set up to reduce a vertical widening, ie a vertical divergence angle. Here and in the following, "vertical widening" means a widening of the laser radiation perpendicular to the lateral widening.

Im Linsenbereich ist der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge gegenüber der übrigen Halbleiterschichtenfolge beispielsweise erhöht. In diesem Fall weist der Linsenbereich in einem Schnitt entlang einer Haupterstreckungsebene der aktiven Zone beispielsweise eine Kontur einer Konvexlinse, bevorzugt einer Bikonvexlinse, auf. Beispielsweise ist der Linsenbereich in Abstrahlrichtung in der genannten Schnittansicht von zwei konvex gekrümmten Konturlinien begrenzt. Alternativ ist es möglich, dass in der genannten Schnittansicht der Linsenbereich die Kontur einer Plankonvexlinse oder einer Konkavkonvexlinse aufweist. In diesen Fällen ist eine konvex gekrümmte Konturlinie bevorzugt dem Verstärkungsbereich der Halbleiterschichtenfolge zugewandt. Aufgrund des erhöhten Brechungsindexes der Halbleiterschichtenfolge im Linsenbereich und der Kontur des Linsenbereichs wirkt der Linsenbereich wie eine Sammellinse für die Laserstrahlung. Mit anderen Worten, mit dem Linsenbereich lässt sich ein Divergenzwinkel der Laserstrahlung verringern.In the lens area, the refractive index of the semiconductor layer sequence is increased compared to the remaining semiconductor layer sequence, for example. In this case, the lens area has, for example, a contour of a convex lens, preferably a biconvex lens, in a section along a main extension plane of the active zone. For example, the lens area is delimited in the emission direction in the sectional view mentioned by two convexly curved contour lines. Alternatively, it is possible for the lens area to have the contour of a plano-convex lens or a concave-convex lens in the sectional view mentioned. In these cases, a convexly curved contour line preferably faces the reinforcement region of the semiconductor layer sequence. Because of the increased refractive index of the semiconductor layer sequence in the lens area and the contour of the lens area, the lens area acts like a converging lens for the laser radiation. In other words, a divergence angle of the laser radiation can be reduced with the lens area.

Es ist alternativ möglich, dass der Brechungsindex im Linsenbereich gegenüber der übrigen Halbleiterschichtenfolge erniedrigt ist. In diesem Fall weist der Linsenbereich in einem Schnitt entlang der Haupterstreckungsebene der aktiven Zone eine Kontur einer Konkavlinse, beispielsweise einer Bikonkavlinse oder einer Plankonkavlinse oder einer Konvexkonkavlinse, auf. Eine konkave Konturlinie, die den Linsenbereich in einer Richtung parallel zur Abstrahlrichtung begrenzt, ist bevorzugt dem Verstärkungsbereich zugewandt. Aufgrund des erniedrigten Brechungsindexes der Halbleiterschichtenfolge im Linsenbereich und der Kontur des Linsenbereichs lässt sich ein Divergenzwinkel der Laserstrahlung verringern.Alternatively, it is possible for the refractive index in the lens area to be lower than in the remaining semiconductor layer sequence. In this case, the lens area has the contour of a concave lens, for example a biconcave lens or a plano-concave lens or a convex-concave lens, in a section along the main extension plane of the active zone. A concave contour line delimiting the lens area in a direction parallel to the emission direction preferably faces the amplification area. Due to the reduced refractive index of the semiconductor layer sequence in the lens area and the contour of the lens area, a divergence angle of the laser radiation can be reduced.

In mindestens einer Ausführungsform der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode umfasst diese eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone zur Erzeugung einer Laserstrahlung, einen Verstärkungsbereich, in dem die aktive Zone elektrisch gepumpt wird, eine Reflexionsfacette und eine Auskoppelfacette. Der Verstärkungsbereich ist von der Auskoppelfacette beabstandet. Zwischen dem Verstärkungsbereich und der Auskoppelfacette weist die Halbleiterschichtenfolge einen Linsenbereich auf. Der Linsenbereich weist einen Brechungsindex auf, der sich von einem Brechungsindex der übrigen Halbleiterschichtenfolge um mindestens 0,1 % unterscheidet. Der Linsenbereich ist dazu eingerichtet, einen Divergenzwinkel einer im Betrieb erzeugten Laserstrahlung zu verringern.In at least one embodiment of the edge-emitting semiconductor laser diode, it comprises a semiconductor layer sequence with an active zone for generating laser radiation, an amplification region in which the active zone is electrically pumped, a reflection facet and a coupling-out facet. The gain area is spaced from the output facet. The semiconductor layer sequence has a lens area between the amplification area and the coupling-out facet. The lens area has a refractive index that differs from a refractive index of the remaining semiconductor layer sequence by at least 0.1%. The lens area is set up to reduce a divergence angle of a laser radiation generated during operation.

Einer hier beschriebenen kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode liegen unter anderem folgende technische Besonderheiten zugrunde. Laserstrahlung einer Halbleiterlaserdiode besitzt eine gewisse Aufweitung, zum einen aufgrund der geometrischen Dimensionen der Halbleiterlaserdiode und zum anderen aufgrund eines sogenannten thermischen Linseneffekts bei hohen Ausgangsleistungen. Beides führt dazu, dass die emittierte Laserstrahlung nicht gaußförmig aufgeweitet wird und einen lateralen und/oder einen vertikalen Divergenzwinkel bildet.An edge-emitting semiconductor laser diode described here is based, inter alia, on the following technical features. Laser radiation from a semiconductor laser diode has a certain widening, on the one hand due to the geometric dimensions of the semiconductor laser diode and on the other hand due to a so-called thermal lens effect at high output powers. Both lead to the emitted laser radiation not being expanded in a Gaussian shape and forming a lateral and/or a vertical divergence angle.

Einer Halbleiterlaserdiode wird in der Anwendung häufig ein optisches System nachgeordnet. Beispielsweise wird Laserstrahlung der Halbleiterlaserdiode in eine lichtleitende Faser eingekoppelt oder die Laserstrahlung wird zum Pumpen eines Faserlasermoduls verwendet. Aufgrund einer numerischen Apertur des optischen Systems darf ein lateraler und/oder vertikaler Divergenzwinkel der Laserdiode einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten, damit die Laserstrahlung noch effizient genutzt werden kann. Zum Beispiel bei einer lichtleitenden Faser mit einer numerischen Apertur von 0,22 soll der laterale Divergenzwinkel der Laserdiode kleiner als 7° sein. Allerdings erhöht sich der laterale Divergenzwinkel mit einem zunehmenden Betriebsstrom, sodass die maximale einkoppelbare Lichtleistung von der lateralen Divergenz begrenzt ist. Dies hat zur Folge, dass insbesondere bei Infrarothochleistungslaserdioden herkömmlicherweise jegliche Indexführung vermieden wird, weil dies auch bei kleinen Strömen bereits zu einer erhöhten lateralen Strahldivergenz führt. Zudem werden Laserbarren, die aus mehreren Laserdioden zusammengesetzt sind, nur bis zu den Strömen eingesetzt, bei denen der laterale Divergenzwinkel unterhalb 7° liegt.In the application, an optical system is often arranged downstream of a semiconductor laser diode. For example, laser radiation from the semiconductor laser diode is coupled into a light-conducting fiber or the laser radiation is used to pump a fiber laser module. Due to a numerical aperture of the optical system, a lateral and/or vertical angle of divergence of the laser diode must not exceed a specific limit value so that the laser radiation can still be used efficiently. For example, in the case of a light-conducting fiber with a numerical aperture of 0.22, the lateral divergence angle of the laser diode should be less than 7°. However, the lateral divergence angle increases with an increasing operating current, so that the maximum optical power that can be coupled in is limited by the lateral divergence. The result of this is that, in particular in the case of infrared high-power laser diodes, any index guidance is conventionally avoided, because this already leads to increased lateral beam divergence even with small currents. In addition, laser bars, which are composed of several laser diodes, are only used up to the currents where the lateral divergence angle is below 7°.

Die hier beschriebene kantenemittierende Halbleiterlaserdiode macht unter anderem von der Idee Gebrauch, den Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge in einem Linsenbereich derart zu verändern, dass ein Divergenzwinkel einer im Betrieb erzeugten Laserstrahlung durch den Linsenbereich verringert wird. Mit dem Linsenbereich kann eine Aufweitung der Laserstrahlung vorteilhafterweise verringert werden.The edge-emitting semiconductor laser diode described here uses, among other things, the idea of changing the refractive index of the semiconductor layer sequence in a lens area in such a way that a divergence angle of a laser radiation generated during operation is reduced by the lens area. An expansion of the laser radiation can advantageously be reduced with the lens area.

Ist beispielsweise der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Linsenbereich gegenüber der übrigen Halbleiterschichtenfolge um 0,15 erhöht und weist die Halbleiterschichtenfolge außerhalb des Linsenbereichs einen Brechungsindex von etwa 3,5 auf, kann der laterale Divergenzwinkel um etwa 3,3° verringert werden. Dies gilt beispielsweise für eine Halbleiterlaserdiode, deren Auskoppelfacette eine Breite von etwa 100 µm aufweist. Vorteilhafterweise kann aufgrund der Verringerung des lateralen Divergenzwinkels die Halbleiterlaserdiode mit einem höheren Betriebsstrom betrieben werden, was zu erhöhten einsetzbaren Ausgangsleistungen der Halbleiterlaserdiode führt.If, for example, the refractive index of the semiconductor layer sequence in the lens area is increased by 0.15 compared to the remaining semiconductor layer sequence and the semiconductor layer sequence outside the lens area has a refractive index of about 3.5, the lateral divergence angle can be reduced by about 3.3°. This applies, for example, to a semiconductor laser diode whose output facet has a width of approximately 100 μm. Due to the reduction in the lateral divergence angle, the semiconductor laser diode can advantageously be operated with a higher operating current, which leads to increased usable output powers of the semiconductor laser diode.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist der Linsenbereich eine dickste Stelle auf. Beispielsweise beträgt eine Dicke des Linsenbereichs, gemessen parallel zur Abstrahlrichtung, an der dicksten Stelle zwischen einschließlich 20 µm und einschließlich 100 µm, bevorzugt zwischen einschließlich 40 µm und einschließlich 60 µm. Insbesondere lässt sich über die Dicke des Linsenbereichs eine Verringerung des Divergenzwinkels beeinflussen. Beispielsweise bewirkt der Linsenbereich bei einer Erhöhung der Dicke eine stärkere Verringerung des Divergenzwinkels.According to at least one embodiment of the semiconductor laser diode or one of its embodiments described above, the lens area has a thickest point. For example, a thickness of the lens area, measured parallel to the emission direction, at the thickest point is between 20 μm and 100 μm inclusive, preferably between 40 μm and 60 μm inclusive. In particular, a reduction in the divergence angle can be influenced via the thickness of the lens area. For example, with an increase in thickness, the lens area causes a greater decrease in the angle of divergence.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen basieren die Halbleiterschichtenfolge im Linsenbereich und die Halbleiterschichtenfolge außerhalb des Linsenbereichs auf dem gleichen Halbleitermaterialsystem. Beispielsweise ist die Halbleiterschichtenfolge im Linsenbereich und außerhalb des Linsenbereichs in einem gemeinsamen Aufwachsprozess hergestellt worden. Insbesondere ist der Linsenbereich mit der übrigen Halbleiterschichtenfolge monolithisch integriert. Zum Beispiel ist die Halbleiterschichtenfolge mit dem Linsenbereich und dem Verstärkungsbereich einstückig ausgebildet.In accordance with at least one embodiment of the edge-emitting semiconductor laser diode or one of its embodiments described above, the semiconductor layer sequence in the lens area and the semiconductor layer sequence outside the lens area are based on the same semiconductor material system. For example, the semiconductor layer sequence in the lens area and outside the lens area has been produced in a common growth process. In particular, the lens area is monolithically integrated with the remaining semiconductor layer sequence. For example, the semiconductor layer sequence is formed in one piece with the lens area and the amplification area.

Der Linsenbereich ist zum Beispiel zumindest teilweise oder vollständig von der übrigen Halbleiterschichtenfolge umgeben. The lens area is, for example, at least partially or completely surrounded by the remaining semiconductor layer sequence.

Der Linsenbereich erstreckt sich beispielsweise säulenartig in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der aktiven Zone in der Halbleiterschichtenfolge. Mit „säulenartig“ ist hier und im Folgenden gemeint, dass eine Kontur eines Querschnitts des Linsenbereichs in zwei beliebigen Schnittebenen parallel zur Haupterstreckungsebene der aktiven Zone im Wesentlichen identisch ist.The lens area extends, for example, in a column-like manner in a direction perpendicular to the main plane of extension of the active zone in the semiconductor layer sequence. Here and in the following, “columnar” means that a contour of a cross section of the lens area is essentially identical in any two cutting planes parallel to the main plane of extension of the active zone.

Der Linsenbereich weist beispielsweise eine Höhe, hier und im Folgenden gemessen senkrecht zur Haupterstreckungseben der aktiven Zone, auf, die mit der Dicke der Halbleiterschichtenfolge übereinstimmt. Die Dicke der Halbleiterschichtenfolge wird insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsebene der aktiven Zone gemessen. Ferner ist es alternativ oder zusätzlich möglich, dass der Linsenbereich eine Breite, gemessen senkrecht zur Höhe und zur Dicke des Linsenbereichs, aufweist, die mit einer Breite der Halbleiterschichtenfolge übereinstimmt.The lens area has a height, for example, measured here and below perpendicularly to the main extension plane of the active zone, which corresponds to the thickness of the semiconductor layer sequence. The thickness of the semiconductor layer sequence is measured, in particular, perpendicular to the main extension plane of the active zone. Furthermore, it is alternatively or additionally possible for the lens area to have a width, measured perpendicularly to the height and to the thickness of the lens area, which corresponds to a width of the semiconductor layer sequence.

Alternativ ist es möglich, dass die Höhe des Linsenbereichs geringer ist als die Dicke der Halbleiterschichtenfolge. In diesem Fall ist der Linsenbereich beispielsweise vollständig von der übrigen Halbleiterschichtenfolge umgeben.Alternatively, it is possible for the height of the lens area to be less than the thickness of the semiconductor layer sequence. In this case, the lens rich, for example, completely surrounded by the rest of the semiconductor layer sequence.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen unterscheidet sich der Brechungsindex des Linsenbereichs von dem Brechungsindex der übrigen Halbleiterschichtenfolge um mindestens 3 % oder um mindestens 5 %. Vorteilhafterweise lässt sich durch einen hohen Brechungsindexunterschied eine besonders starke Verringerung des Divergenzwinkels durch den Linsenbereichs erzielen.In accordance with at least one embodiment of the semiconductor laser diode or one of its embodiments described above, the refractive index of the lens area differs from the refractive index of the remaining semiconductor layer sequence by at least 3% or by at least 5%. Advantageously, a particularly large reduction in the angle of divergence can be achieved through the lens area as a result of a high difference in refractive index.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen sind im Linsenbereich Fremdatome in die Halbleiterschichtenfolge eingebracht. Beispielsweise beträgt eine Konzentration der Fremdatome im Linsenbereich zwischen einschließlich 1×1013 cm-3 und einschließlich 1×1017 cm-3, bevorzugt zwischen einschließlich 1×1015 cm-3 und einschließlich 1×1016 cm-3.In accordance with at least one embodiment of the semiconductor laser diode or one of its embodiments described above, foreign atoms are introduced into the semiconductor layer sequence in the lens region. For example, a concentration of foreign atoms in the lens area is between 1×10 13 cm −3 and 1×10 17 cm −3 inclusive, preferably between 1×10 15 cm −3 and 1×10 16 cm −3 inclusive.

Beispielsweise sind Sauerstoffatome im Linsenbereich eingebracht. Die Sauerstoffatome führen insbesondere zu einer teilweisen Amorphisierung von Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge im Linsenbereich, wodurch der Brechungsindex im Linsenbereich gegenüber der übrigen Halbleiterschichtenfolge erhöht wird. Alternativ sind Stickstoffatome als Fremdatome eingebracht. In diesem Fall bewirken die Stickstoffatome eine Nitridisierung des Halbleitermaterials der Halbleiterschichtenfolge im Linsenbereich. Die Nitridisierung führt insbesondere zu einer Erniedrigung des Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Linsenbereich gegenüber der übrigen Halbleiterschichtenfolge.For example, oxygen atoms are introduced in the lens area. The oxygen atoms lead in particular to a partial amorphization of semiconductor material of the semiconductor layer sequence in the lens area, as a result of which the refractive index in the lens area is increased compared to the remaining semiconductor layer sequence. Alternatively, nitrogen atoms are introduced as foreign atoms. In this case, the nitrogen atoms cause nitriding of the semiconductor material of the semiconductor layer sequence in the lens area. The nitriding leads in particular to a reduction in the refractive index of the semiconductor layer sequence in the lens area compared to the remaining semiconductor layer sequence.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge eine Hauptfläche auf, an welcher ein dielektrisches Verspannungselement angeordnet ist. In Draufsicht auf die Hauptfläche überdeckt das dielektrische Verspannungselement den Linsenbereich zumindest teilweise. Die Halbleiterschichtenfolge außerhalb des Linsenbereichs ist vorzugsweise frei von dem dielektrischen Verspannungselement. Das dielektrische Verspannungselement umfasst ein Dielektrikum. Bei dem Dielektrikum handelt es sich beispielsweise um ein Oxid, insbesondere Siliziumdioxid, oder ein Nitrid, wie zum Beispiel Siliziumnitrid. Das dielektrische Verspannungselement überdeckt den Linsenbereich beispielsweise vollständig. Die Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge ist bevorzugt durch eine Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge gebildet, die parallel zu einer Haupterstreckungsebene der aktiven Zone verläuft.In accordance with at least one embodiment of the semiconductor laser diode or one of its embodiments described above, the semiconductor layer sequence has a main area on which a dielectric stressing element is arranged. In a plan view of the main surface, the dielectric bracing element at least partially covers the lens area. The semiconductor layer sequence outside the lens area is preferably free of the dielectric stressing element. The dielectric stressing element comprises a dielectric. The dielectric is, for example, an oxide, in particular silicon dioxide, or a nitride, such as silicon nitride. The dielectric bracing element completely covers the lens area, for example. The main area of the semiconductor layer sequence is preferably formed by a surface of the semiconductor layer sequence which runs parallel to a main extension plane of the active zone.

Das dielektrische Verspannungselement führt insbesondere zu mechanischen Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge, wodurch der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge verändert ist. Bewirkt das dielektrische Verspannungselement beispielsweise eine tensile Verspannung des Materials der Halbleiterschichtenfolge, so wird der Brechungsindex erniedrigt. Bewirkt hingegen das Verspannungselement eine kompressive Verspannung des Materials der Halbleiterschichtenfolge, so wird der Brechungsindex erhöht.The dielectric stress element leads in particular to mechanical stresses in the semiconductor layer sequence, as a result of which the refractive index of the semiconductor layer sequence is changed. If the dielectric stressing element brings about a tensile stressing of the material of the semiconductor layer sequence, for example, then the refractive index is reduced. If, on the other hand, the stressing element brings about a compressive stressing of the material of the semiconductor layer sequence, then the refractive index is increased.

Beispielsweise setzen sich die mechanischen Verspannungen in einer Richtung senkrecht zur Hauptfläche in die Halbleiterschichtenfolge fort. Es ist möglich, dass die mechanischen Verspannungen sich über die gesamte Dicke der Halbleiterschichtenfolge fortsetzen.For example, the mechanical stresses continue into the semiconductor layer sequence in a direction perpendicular to the main area. It is possible for the mechanical stresses to continue over the entire thickness of the semiconductor layer sequence.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen umfasst die Halbleiterschichtenfolge einen Ausbreitungsbereich. Insbesondere wird im bestimmungsgemäßen Betrieb in dem Ausbreitungsbereich Laserstrahlung innerhalb der Halbleiterschichtenfolge geführt. Der Ausbreitungsbereich umfasst insbesondere die aktive Zone. Eine Haupterstreckungsebene des Ausbreitungsbereichs ist bevorzugt parallel zur Haupterstreckungsebene der aktiven Zone. In einer Richtung senkrecht zu seiner Haupterstreckungsebene ist der Ausbreitungsbereich bevorzugt von Außenflächen der Halbleiterlaserdiode beabstandet. Eine Dicke des Ausbreitungsbereichs ist insbesondere geringer als die Dicke der Halbleiterschichtenfolge.In accordance with at least one embodiment of the semiconductor laser diode or one of its embodiments described above, the semiconductor layer sequence comprises a propagation region. In particular, in normal operation, laser radiation is guided within the semiconductor layer sequence in the propagation area. The propagation area includes in particular the active zone. A main extension plane of the propagation area is preferably parallel to the main extension plane of the active zone. In a direction perpendicular to its main plane of extent, the propagation area is preferably at a distance from outer surfaces of the semiconductor laser diode. A thickness of the propagation region is in particular less than the thickness of the semiconductor layer sequence.

Der Ausbreitungsbereich und der Linsenbereich können sich überlappen. Die Halbleiterschichtenfolge im Ausbreitungsbereich weist, insbesondere außerhalb des Linsenbereichs, einen höheren Brechungsindex auf als die den Ausbreitungsbereich umgebende Halbleiterschichtenfolge. Aufgrund dieses Unterschieds im Brechungsindex breitet sich in der aktiven Zone erzeugte Laserstrahlung im bestimmungsgemäßen Betrieb vorwiegend oder ausschließlich im Ausbreitungsbereich aus.The propagation area and the lens area can overlap. The semiconductor layer sequence in the propagation area has, in particular outside the lens area, a higher refractive index than the semiconductor layer sequence surrounding the propagation area. Due to this difference in the refractive index, laser radiation generated in the active zone propagates predominantly or exclusively in the propagation area during normal operation.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist der Linsenbereich eine Höhe auf, die der Dicke des Ausbreitungsbereichs entspricht. Insbesondere ist der Linsenbereich auf den Ausbreitungsbereich beschränkt. Da sich die in der aktiven Zone erzeugte Laserstrahlung vorzugsweise ausschließlich im Ausbreitungsbereich ausbreitet, wird durch einen Linsenbereich, der auf den Ausbreitungsbereich beschränkt ist, lässt sich trotzdem erzielen, dass eine Aufweitung der im Betrieb erzeugten Laserstrahlung verringert ist.According to at least one embodiment of the semiconductor laser diode or one of its embodiments described above, the lens area has a height that corresponds to the thickness of the propagation area. In particular, the lens area is limited to the propagation area. Since the laser radiation generated in the active zone preferably propagates exclusively in the propagation area, a lens area that is limited to the propagation area can nevertheless reduce the widening of the laser radiation generated during operation.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge einen Stegwellenleiter auf, der an der Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge aus dieser herausragt. In Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge überdeckt der Stegwellenleiter den Verstärkungsbereich vollständig und der Stegwellenleiter überlappt nicht mit der Reflexionsfacette und/oder der Auskoppelfacette. Vorzugsweise ist der Stegwellenleiter von der Reflexionsfacette und/oder der Auskoppelfacette beabstandet. Bevorzugt ist der Stegwellenleiter auf den Verstärkungsbereich beschränkt. Eine Höhe des Stegwellenleiters über der Hauptfläche, gemessen ausgehend von der Hauptfläche und senkrecht zur Hauptfläche, beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 200 nm und einschließlich 1000 nm, bevorzugt zwischen einschließlich 300 nm und einschließlich 800 nm.In accordance with at least one embodiment of the semiconductor laser diode or one of its above-described embodiments, the semiconductor layer sequence has a ridge waveguide which protrudes from the semiconductor layer sequence on the main surface thereof. In a plan view of the semiconductor layer sequence, the ridge waveguide completely covers the amplification region and the ridge waveguide does not overlap with the reflection facet and/or the coupling-out facet. The ridge waveguide is preferably at a distance from the reflection facet and/or the coupling-out facet. The ridge waveguide is preferably restricted to the amplification region. A height of the ridge waveguide above the main surface, measured starting from the main surface and perpendicular to the main surface, is for example between 200 nm and 1000 nm inclusive, preferably between 300 nm and 800 nm inclusive.

Beispielsweise wird im bestimmungsgemäßen Betrieb die Halbleiterschichtenfolge über den Stegwellenleiter bestromt. Damit ist der Verstärkungsbereich insbesondere durch den Stegwellenleiter vorgegeben. Eine Haupterstreckungsrichtung des Stegwellenleiters ist insbesondere parallel zur Abstrahlrichtung der Halbleiterlaserdiode.For example, in normal operation, the semiconductor layer sequence is energized via the ridge waveguide. The amplification range is thus specified in particular by the ridge waveguide. A main extension direction of the ridge waveguide is, in particular, parallel to the emission direction of the semiconductor laser diode.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen umfasst die Halbleiterlaserdiode eine elektrische Kontaktstruktur an der Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge. In Draufsicht auf die Hauptfläche überdeckt die elektrische Kontaktstruktur zumindest den Verstärkungsbereich vollständig. Die elektrische Kontaktstruktur ist von der Reflexionsfacette und/oder der Auskoppelfacette beabstandet.In accordance with at least one embodiment of the semiconductor laser diode or one of its embodiments described above, the semiconductor laser diode comprises an electrical contact structure on the main area of the semiconductor layer sequence. In a plan view of the main area, the electrical contact structure completely covers at least the reinforcement area. The electrical contact structure is at a distance from the reflection facet and/or the coupling-out facet.

Die elektrische Kontaktstruktur ist insbesondere dazu eingerichtet, im bestimmungsgemäßen Betrieb die Halbleiterschichtenfolge im Verstärkungsbereich zu bestromen. Beispielsweise in dem Fall, dass die Halbleiterschichtenfolge einen Stegwellenleiter umfasst, ist die elektrische Kontaktstruktur ausschließlich im elektrischen Kontakt zu dem Stegwellenleiter und gegenüber der übrigen Halbleiterschichtenfolge elektrisch isoliert. Vorzugsweise ist die elektrische Kontaktstruktur nicht auf den Stegwellenleiter beschränkt. Vorteilhafterweise lässt sich durch die Kontaktstruktur Wärme, die im Betrieb der Laserdiode entsteht, abführen.The electrical contact structure is set up, in particular, to energize the semiconductor layer sequence in the amplification region during normal operation. For example, in the case where the semiconductor layer sequence comprises a ridge waveguide, the electrical contact structure is electrically insulated exclusively in electrical contact with the ridge waveguide and with respect to the remaining semiconductor layer sequence. Preferably, the electrical contact structure is not limited to the ridge waveguide. Advantageously, heat generated during operation of the laser diode can be dissipated through the contact structure.

Die Kontaktstruktur umfasst ein Metall oder mehrere Metalle oder eine Mischung von Metallen. Die Metalle sind zum Beispiel Nickel, Kupfer, Titan, Platin und Gold.The contact structure comprises one or more metals or a mixture of metals. The metals are, for example, nickel, copper, titanium, platinum and gold.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Halbleiterlaserdiode eine indexgeführte Halbleiterlaserdiode.According to at least one embodiment of the edge-emitting semiconductor laser diode or one of its embodiments described above, the semiconductor laser diode is an index-guided semiconductor laser diode.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform der kantenemittierenden Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen basiert die Halbleiterschichtenfolge auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel InAlGaAs. Beispielsweise liegt eine Peakwellenlänge der Laserstrahlung, die von der Halbleiterlaserdiode abgegeben wird, zwischen einschließlich 900 nm und einschließlich 1000 nm.In accordance with at least one embodiment of the edge-emitting semiconductor laser diode or one of its embodiments described above, the semiconductor layer sequence is based on an arsenide compound semiconductor material, such as InAlGaAs, for example. For example, a peak wavelength of the laser radiation emitted by the semiconductor laser diode is between 900 nm and 1000 nm inclusive.

Bei der kantenemittierenden Halbleiterlaseriode handelt es sich zum Beispiel im eine indexgeführte Infrarothalbleiterlaserdiode.The edge-emitting semiconductor laser diode is, for example, an index-guided infrared semiconductor laser diode.

Es wird des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung von kantenemittierenden Halbleiterlaserdioden angegeben. Die hier beschriebene Halbleiterlaserdiode und deren Ausführungsformen können insbesondere durch das Verfahren hergestellt werden. Das heißt, sämtliche für die Halbleiterlaserdiode offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.Furthermore, a method for producing edge-emitting semiconductor laser diodes is specified. The semiconductor laser diode described here and its embodiments can be produced in particular by the method. This means that all features disclosed for the semiconductor laser diode are also disclosed for the method and vice versa.

In mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Halbleiterkörper mit einer aktiven Zone und mindestens einem Verstärkungsbereich ausgebildet. Beispielsweise wird der Halbleiterkörper auf einem Aufwachssubstrat ausgebildet. Der Halbleiterkörper wird auf dem Aufwachssubstrat beispielsweise epitaktisch aufgewachsen. Zum Beispiel wird der Halbleiterkörper mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie, kurz MOVPE oder metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung, kurz MOCVD oder mittels Molekularstrahlepitaxie, kurz MBE, aufgebracht. Bevorzugt wird der Halbleiterkörper einstückig aufwachsen. Der Halbleiterkörper basiert insbesondere auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial.In at least one embodiment of the method, a semiconductor body having an active zone and at least one gain region is formed. For example, the semiconductor body is formed on a growth substrate. The semiconductor body is grown epitaxially on the growth substrate, for example. For example, the semiconductor body is applied by means of metal-organic vapor phase epitaxy, MOVPE for short, or metal-organic chemical vapor phase deposition, MOCVD for short, or by means of molecular beam epitaxy, MBE for short. The semiconductor body is preferably grown in one piece. The semiconductor body is based in particular on a III-V compound semiconductor material.

In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird mindestens ein Linsenbereich in dem Halbleiterkörper ausgebildet. Dazu wird ein Brechungsindex des Halbleiterkörpers bereichsweise verändert. Der Bereich, in dem der Brechungsindex des Halbleiterkörpers verändert wird, bildet den Linsenbereich.In a further step of the method, at least one lens area is formed in the semiconductor body. For this purpose, a refractive index of the semiconductor body is changed in regions. The area in which the refractive index of the semiconductor body is changed forms the lens area.

In einem weiteren Schritt des Verfahrens wird aus dem Halbleiterkörper eine Halbleiterschichtenfolge mit einer Auskoppelfacette und einer Reflexionsfacette ausgebildet. Die Auskoppelfacette und die Reflexionsfacette begrenzen die Halbleiterschichtenfolge in Abstrahlrichtung beziehungsweise entgegengesetzt zur Abstrahlrichtung. Beispielsweise wird die Halbleiterschichtenfolge mittels Brechen oder Ätzen ausgebildet.In a further step of the method, a semiconductor layer sequence having a coupling-out facet and a reflection facet is formed from the semiconductor body. The coupling-out facet and the reflection facet delimit the semiconductor layer sequence in the emission direction or opposite to the emission direction. For example, the semiconductor layer sequence is formed by breaking or etching.

Bei dem Verfahren wird jede Halbleiterschichtenfolge mit mindestens einem Verstärkungsbereich und mindestens einem Linsenbereich versehen. Bevorzugt wird der mindestens eine Verstärkungsbereich mit einem Abstand zur Auskoppelfacette ausgebildet. Weiter bevorzugt wird der mindestens eine Linsenbereich zwischen der Auskoppelfacette und dem Verstärkungsbereich angeordnet. Der Linsenbereich wird vorzugsweise vor dem Ausbilden der Halbleiterschichtenfolge hergestellt.In the method, each semiconductor layer sequence is provided with at least one gain area and at least one lens area. The at least one amplification region is preferably formed at a distance from the decoupling facet. More preferably, the at least one lens area is arranged between the decoupling facet and the amplification area. The lens area is preferably produced before the semiconductor layer sequence is formed.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Linsenbereich durch Einbringen von Fremdatomen mittels Ionenimplantation geändert. Beispielsweise werden Sauerstoffatome oder Stickstoffatome mit einer Konzentration zwischen einschließlich 1x1013 cm-3 und einschließlich 1x1017 cm-3 in den Halbleiterkörper eingebracht. Eine grundsätzliche Funktionsweise von Ionenimplantation in ein Halbleitermaterial ist beispielsweise in der Druckschrift Chan et. al, Modification of refractive index of GaAs by ion implantation Oxygen, Nuc. Inst. A. Meth. In Phys. Res. B 83, 177-183, 1993 beschrieben, deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.According to at least one embodiment of the method or its embodiments described above, the refractive index of the semiconductor layer sequence in the lens area is changed by introducing foreign atoms by means of ion implantation. For example, oxygen atoms or nitrogen atoms are introduced into the semiconductor body with a concentration of between 1×10 13 cm −3 and 1×10 17 cm −3 inclusive. A basic mode of operation of ion implantation in a semiconductor material is described, for example, in the publication Chan et. al, Modification of refractive index of GaAs by ion implantation Oxygen, Nuc. Inst. A. Meth. In Phys. Res. B 83, 177-183, 1993, the relevant disclosure content of which is hereby incorporated by reference.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Linsenbereich durch stellenweises Aufbringen eines dielektrischen Verspannungselements auf einer Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge geändert. Beispielsweise wird das dielektrische Verspannungselement abgeschieden. Insbesondere wird das dielektrische Verspannungselement mittels Gasphasenabscheidung aufgebracht. Durch das Aufbringen des dielektrischen Verspannungselements werden mechanische Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge initiiert. Infolge der mechanischen Verspannungen ändert sich der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Linsenbereich.In accordance with at least one embodiment of the method or its embodiments described above, the refractive index of the semiconductor layer sequence in the lens region is changed by locally applying a dielectric stressing element on a main area of the semiconductor layer sequence. For example, the dielectric stress element is deposited. In particular, the dielectric stressing element is applied by means of gas phase deposition. Applying the dielectric stressing element initiates mechanical stresses in the semiconductor layer sequence. As a result of the mechanical stresses, the refractive index of the semiconductor layer sequence changes in the lens area.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Linsenbereich gegenüber der übrigen Halbleiterschichtenfolge erhöht. In diesem Fall wird der Linsenbereich in einem Schnitt entlang einer Haupterstreckungsebene der aktiven Zone mit der geometrischen Form einer Konvexlinse, insbesondere in Form einer Bikonvexlinse, ausgebildet.According to at least one embodiment of the method or its embodiments described above, the refractive index of the semiconductor layer sequence in the lens area is increased compared to the remaining semiconductor layer sequence. In this case, the lens area is formed in a section along a main extension plane of the active zone with the geometric shape of a convex lens, in particular in the form of a biconvex lens.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Linsenbereich gegenüber der übrigen Halbleiterschichtenfolge erniedrigt. In diesem Fall wird der Linsenbereich in einem Schnitt entlang einer Haupterstreckungsebene der aktiven Zone mit der geometrischen Form einer Konkavlinse, insbesondere einer Bikonkavlinse, ausgebildet.In accordance with at least one embodiment of the method or its embodiments described above, the refractive index of the semiconductor layer sequence in the lens region is reduced compared to the remaining semiconductor layer sequence. In this case, the lens area is formed in a section along a main extension plane of the active zone with the geometric shape of a concave lens, in particular a biconcave lens.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird beim Ausbilden des Halbleiterkörpers mindestens ein Stegwellenleiter mittels Ätzen ausgebildet, der den mindestens einen Verstärkungsbereich in Draufsicht auf eine Hauptfläche des Halbleiterkörpers überdeckt. Beispielsweise ragt der Stegwellenleiter aus der Hauptfläche des Halbleiterkörpers nach dem Ausbilden heraus. Beispielsweise wird zum Ausbilden des Stegwellenleiters Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers ausgehend von der Hauptfläche mit einem trockenchemischen Ätzverfahren entfernt. Der Halbleiterkörper weist beispielsweise einen Ausbreitungsbereich auf, der vor dem Ätzen von der Hauptfläche beabstandet ist. Beispielsweise ist eine Deckschicht zwischen dem Ausbreitungsbereich und der Hauptfläche angeordnet. Während des Ätzens wird beispielsweise die Deckschicht nur teilweise entfernt. In einem solchen Fall wird insbesondere eine stromgeführte Halbleiterlaserdiode ausgebildet.According to at least one embodiment of the method or its above-described embodiments, at least one ridge waveguide is formed by etching during the formation of the semiconductor body, which ridge waveguide covers the at least one amplification region in a top view of a main area of the semiconductor body. For example, the ridge waveguide protrudes from the main surface of the semiconductor body after formation. For example, to form the ridge waveguide, semiconductor material of the semiconductor body is removed, starting from the main area, using a dry-chemical etching method. The semiconductor body has, for example, a spreading region which is spaced apart from the main surface before etching. For example, a cover layer is arranged between the spreading area and the main surface. During etching, for example, the top layer is only partially removed. In such a case, in particular, a current-carrying semiconductor laser diode is formed.

Alternativ ist es möglich, dass die Deckschicht während des Ätzens komplett entfernt wird. In diesem Fall wird insbesondere eine indexgeführte Halbleiterlaserdiode ausgebildet.Alternatively it is possible that the covering layer is completely removed during the etching. In this case, in particular, an index-guided semiconductor laser diode is formed.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Halbleiterlaserdiode und des Verfahrens ergeben sich aus den folgenden in Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. Gleiche, gleichartige und gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht grundsätzlich als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.Further advantages and advantageous configurations and developments of the semiconductor laser diode and the method result from the following exemplary embodiments illustrated in connection with the schematic drawings. Identical, similar and equivalent elements are provided with the same reference symbols in the figures. The figures and the relative sizes of the elements shown in the figures are not to be regarded as true to scale. Rather, individual elements can be shown in an exaggerated size for better representation and/or for better comprehensibility.

Es zeigen:

  • 1 bis 5 Ausführungsbeispiele einer hier beschriebenen Halbleiterlaserdiode in verschiedenen Ansichten und
  • 6 bis 8 verschiedene Verfahrensstadien eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Show it:
  • 1 until 5 Embodiments of a semiconductor laser diode described here in different views and
  • 6 until 8th different method stages of a method for manufacturing a semiconductor laser diode according to an embodiment.

1 illustriert eine kantenemittierende Halbleiterlaserdiode 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in Draufsicht auf eine Hauptfläche 8 einer Halbleiterschichtenfolge 2. Die Hauptfläche 8 erstreckt sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge 2. In einer Abstrahlrichtung 15 der Halbleiterlaserdiode 1 ist die Halbleiterschichtenfolge 2 von einer Auskoppelfacette 6 begrenzt. Die Auskoppelfacette 6 bildet eine Emissionsfläche der Halbleiterlaserdiode 1. Entgegengesetzt der Abstrahlrichtung 15 ist die Halbleiterlaserdiode 1 von einer Reflexionsfacette 5 begrenzt. 1 illustrates an edge-emitting semiconductor laser diode 1 according to a first exemplary embodiment in a plan view of a main surface 8 of a semiconductor layer sequence 2. The main surface 8 extends parallel to a main extension plane of the semiconductor layer sequence 2. In a radiation direction 15 of the semiconductor laser diode 1, the semiconductor layer sequence 2 is delimited by a coupling-out facet 6. The decoupling facet 6 forms an emission surface of the semiconductor laser diode 1 . Opposite to the emission direction 15 , the semiconductor laser diode 1 is delimited by a reflection facet 5 .

Die Reflexionsfacette 5 ist dazu eingerichtet, Laserstrahlung, die in der Halbleiterlaserdiode 1 erzeugt wird, zu reflektieren. Beispielsweise beträgt ein Reflexionsgrad der Reflexionsfacette 5 für die Laserstrahlung mindestens 99 %.The reflection facet 5 is set up to reflect laser radiation that is generated in the semiconductor laser diode 1 . For example, a degree of reflection of the reflection facet 5 for the laser radiation is at least 99%.

Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist einen Stegwellenleiter 10 auf, der einen Verstärkungsbereich 4 der Halbleiterschichtenfolge 2 definiert. Der Verstärkungsbereich 4 der Halbleiterschichtenfolge 2 ist insbesondere der Bereich, in dem die Halbleiterschichtenfolge 2 im bestimmungsgemäßen Betrieb bestromt wird und damit insbesondere der Bereich der Halbleiterschichtenfolge 2, in dem die Halbleiterlaserdiode 1 elektrisch gepumpt wird. Der Stegwellenleiter 10 ragt beispielsweise aus der Hauptfläche 8 der Halbleiterschichtenfolge 2 heraus. Eine Höhe des Stegwellenleiters 10 über der Hauptfläche 8 beträgt beispielsweise 300 nm (siehe auch 2 und 4).The semiconductor layer sequence 2 has a ridge waveguide 10 which defines an amplification region 4 of the semiconductor layer sequence 2 . The amplification region 4 of the semiconductor layer sequence 2 is in particular the region in which the semiconductor layer sequence 2 is energized during normal operation and thus in particular the region of the semiconductor layer sequence 2 in which the semiconductor laser diode 1 is electrically pumped. The ridge waveguide 10 protrudes, for example, from the main area 8 of the semiconductor layer sequence 2 . A height of the ridge waveguide 10 above the main surface 8 is, for example, 300 nm (see also 2 and 4 ).

Die Hauptfläche 8 ist stellenweise von einer elektrischen Kontaktstruktur 11 überdeckt. Insbesondere sind der Verstärkungsbereich 4 und der Stegwellenleiter 10 von der Kontaktstruktur 11 überdeckt. Die elektrische Kontaktstruktur 11 umfasst beispielsweise mindestens eines der folgenden Metalle: Nickel, Kupfer, Titan, Platin und Gold. Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird die Halbleiterschichtenfolge 2 über die elektrische Kontaktstruktur 11 elektrisch kontaktiert. Beispielsweise befindet sich die elektrische Kontaktstruktur 11 in elektrischem Kontakt zu dem Stegwellenleiter 10 und ist gegenüber der restlichen Halbleiterschichtenfolge 2 elektrisch isoliert (siehe auch 4).The main surface 8 is covered in places by an electrical contact structure 11 . In particular, the reinforcement area 4 and the ridge waveguide 10 are covered by the contact structure 11 . The electrical contact structure 11 comprises at least one of the following metals, for example: nickel, copper, titanium, platinum and gold. In normal operation, the semiconductor layer sequence 2 is electrically contacted via the electrical contact structure 11 . For example, the electrical contact structure 11 is in electrical contact with the ridge waveguide 10 and is electrically insulated from the remaining semiconductor layer sequence 2 (see also 4 ).

Der Verstärkungsbereich 4 ist von der Auskoppelfacette 6 beabstandet. Zwischen der Auskoppelfacette 6 und dem Verstärkungsbereich 4 ist ein Linsenbereich 7 angeordnet. Der Linsenbereich 7 erstreckt sich ausgehend von der Hauptfläche 8 der Halbleiterschichtenfolge 2 säulenartig durch die gesamte Halbleiterschichtenfolge 2. Insbesondere entspricht eine Höhe des Linsenbereichs 7, gemessen senkrecht zur Hauptfläche 8, einer Dicke der Halbleiterschichtenfolge 2, gemessen in derselben Richtung wie die Höhe des Linsenbereichs 7 (vergleiche beispielsweise 2).The amplification area 4 is at a distance from the decoupling facet 6 . A lens area 7 is arranged between the decoupling facet 6 and the amplification area 4 . The lens region 7 extends, starting from the main surface 8 of the semiconductor layer sequence 2, in a columnar manner through the entire semiconductor layer sequence 2. In particular, a height of the lens region 7, measured perpendicularly to the main surface 8, corresponds to a thickness of the semiconductor layer sequence 2, measured in the same direction as the height of the lens region 7 (compare for example 2 ).

Der Linsenbereich 7 weist beispielsweise einen höheren Brechungsindex auf als die ihn umgebende Halbleiterschichtenfolge 2. Im Linsenbereich 7 sind beispielsweise Fremdatome, insbesondere Sauerstoffatome, in das Material der Halbleiterschichtenfolge 2 eingebracht. Eine Konzentration der Sauerstoffatome beträgt zum Beispiel 3x1015 cm-3.The lens area 7 has, for example, a higher refractive index than the semiconductor layer sequence 2 surrounding it. In the lens area 7, for example, foreign atoms, in particular oxygen atoms, are introduced into the material of the semiconductor layer sequence 2. A concentration of oxygen atoms is, for example, 3x10 15 cm-3.

Der Linsenbereich 7 weist in der Ansicht der 1 eine Kontur einer Bikonvexlinse auf. Eine maximale Dicke des Linsenbereichs, gemessen parallel zur Abstrahlrichtung 15, beträgt zum Beispiel 45 µm. Aufgrund des erhöhten Brechungsindexes des Linsenbereichs 7 und seiner Kontur wirkt der Linsenbereich 7 als Sammellinse für im Betrieb erzeugte Laserstrahlung der Halbleiterlaserdiode 1. Damit wird ein Divergenzwinkel der Laserstrahlung durch den Linsenbereich 7 verringert.The lens area 7 has in the view of 1 a contour of a biconvex lens. A maximum thickness of the lens area, measured parallel to the emission direction 15, is 45 μm, for example. Due to the increased refractive index of the lens area 7 and its contour, the lens area 7 acts as a converging lens for laser radiation generated during operation of the semiconductor laser diode 1. A divergence angle of the laser radiation through the lens area 7 is thus reduced.

Die Halbleiterlaserdiode 1 ist beispielsweise dazu eingerichtet, Laserstrahlung mit einer Peakwellenlänge von 900 nm bis 1000 nm zu emittieren. Die Halbleiterschichtenfolge 2 basiert zum Beispiel auf InGaAs und weist einen Brechungsindex bei der Peakwellenlänge von etwa 3,5 auf. Der Brechungsindex des Linsenbereichs 7 weist bei dieser Wellenlänge zum Beispiel einen Wert von 3,65 auf. Ein lateraler Divergenzwinkel der Halbleiterlaserdiode 1 lässt sich durch einen derartigen Linsenbereich bei einem konstanten Betriebstrom um etwa 3,3° verringern.The semiconductor laser diode 1 is set up, for example, to emit laser radiation with a peak wavelength of 900 nm to 1000 nm. The semiconductor layer sequence 2 is based on InGaAs, for example, and has a refractive index of approximately 3.5 at the peak wavelength. The refractive index of the lens area 7 has a value of 3.65 at this wavelength, for example. A lateral divergence angle of the semiconductor laser diode 1 can be reduced by approximately 3.3° with a lens area of this type with a constant operating current.

Die 2 illustriert die Halbleiterlaserdiode 1 der 1 in einer Schnittdarstellung. Die Schnittebene verläuft senkrecht zur Hauptfläche 8 und entlang der Linie A-A in 1. Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist eine erste Deckschicht 23, eine zweite Deckschicht 24, eine erste Wellenleiterschicht 21 und eine zweite Wellenleiterschicht 22 auf. Zwischen der ersten Wellenleiterschicht 21 und der zweiten Wellenleiterschicht 22 ist eine aktive Zone 3 zur Erzeugung von Laserstrahlung angeordnet. Die erste Wellenleiterschicht 21, die zweite Wellenleiterschicht 22 und die aktive Zone 3 bilden einen Ausbreitungsbereich 20, in dem im bestimmungsgemäßen Betrieb die Laserstrahlung innerhalb der Halbleiterschichtenfolge 2 geführt wird. Der Ausbreitungsbereich 20 ist zwischen der ersten Deckschicht 23 und der zweiten Deckschicht 24 angeordnet.the 2 illustrates the semiconductor laser diode 1 of FIG 1 in a sectional view. The cutting plane is perpendicular to the main surface 8 and along the line AA in 1 . The semiconductor layer sequence 2 has a first cover layer 23 , a second cover layer 24 , a first waveguide layer 21 and a second waveguide layer 22 . An active zone 3 for generating laser radiation is arranged between the first waveguide layer 21 and the second waveguide layer 22 . The first waveguide layer 21, the second waveguide layer 22 and the active zone 3 form a propagation area 20 in which the laser radiation is guided within the semiconductor layer sequence 2 during normal operation. The propagation area 20 is arranged between the first cover layer 23 and the second cover layer 24 .

Beispielsweise sind die erste Deckschicht 23 und die erste Wellenleiterschicht 21 n-dotiert. Die zweite Deckschicht 24 und die zweite Wellenleiterschicht 22 sind dann p-dotiert. Alternativ kann die Dotierung auch anders herum sein.For example, the first cover layer 23 and the first waveguide layer 21 are n-doped. The second cap layer 24 and the second waveguide layer 22 are then p-doped. Alternatively, the doping can also be the other way around.

3 zeigt einen Ausschnitt einer Halbleiterlaserdiode 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Schnittansicht, bei dem lediglich der Bereich zwischen dem Verstärkungsbereich und der Auskoppelfacette 6 gezeigt ist. An der Hauptfläche 8 der Halbleiterschichtenfolge 2 ist ein dielektrisches Verspannungselement 9 angeordnet. Das dielektrische Verspannungselement 9 überdeckt stellenweise den Linsenbereich 7 der Halbleiterschichtenfolge 2. Insbesondere überdeckt das dielektrische Verspannungselement 9 den Linsenbereich 7 vollständig. 3 shows a detail of a semiconductor laser diode 1 according to a second exemplary embodiment in a sectional view, in which only the region between the amplification region and the coupling-out facet 6 is shown. A dielectric bracing element 9 is arranged on the main surface 8 of the semiconductor layer sequence 2 . The dielectric bracing element 9 covers the lens area 7 of the semiconductor layer sequence 2 in places. In particular, the dielectric bracing element 9 covers the lens area 7 completely.

Beispielsweise wird das dielektrische Spannungselement auf der Hauptfläche 8 abgeschieden, insbesondere mittels Gasphasenabscheidung. Das dielektrische Verspannungselement 9 umfasst zum Beispiel ein Oxid, beispielsweise Siliziumdioxid, oder ein Nitrid, zum Beispiel Siliziumnitrid.For example, the dielectric stress element is deposited on the main surface 8, in particular by means of vapor deposition. The dielectric stress element 9 comprises, for example, an oxide, for example silicon dioxide, or a nitride, for example silicon nitride.

Durch das dielektrische Verspannungselement 9 werden mechanische Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge 2 induziert. Bevorzugt setzen sich die mechanischen Verspannungen über die gesamte Dicke der Halbleiterschichtenfolge 2 fort.Mechanical stresses are induced in the semiconductor layer sequence 2 by the dielectric stress element 9 . The mechanical stresses preferably continue over the entire thickness of the semiconductor layer sequence 2 .

Aufgrund der mechanischen Verspannungen ist der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 2 im Linsenbereich 7 gegenüber dem Brechungsindex der übrigen Halbleiterschichtenfolge 2 beispielsweise erhöht. Zum Bespiel beträgt ein Brechungsindexunterschied der Halbleiterschichtenfolge 2 zwischen dem Linsenbereich und der übrigen Halbleiterschichtenfolge 2 mindestens 1 x 10-3. Im Übrigen gelten für das Ausführungsbeispiel der 3 die im Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen gemachten Ausführungen.Because of the mechanical stresses, the refractive index of the semiconductor layer sequence 2 in the lens area 7 is increased compared to the refractive index of the remaining semiconductor layer sequence 2, for example. For example, a refractive index difference of the semiconductor layer sequence 2 between the lens area and the remaining semiconductor layer sequence 2 is at least 1×10 -3 . Incidentally, apply to the embodiment of 3 the statements made in connection with the exemplary embodiments described above.

4 illustriert ein Ausführungsbeispiel der Halbleiterlaserdiode 1 in Draufsicht auf eine Auskoppelfacette 6. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist der Linsenbereich 7 auf den Ausbreitungsbereich 20 beschränkt. 4 illustrates an embodiment of the semiconductor laser diode 1 in a plan view of a decoupling facet 6. In contrast to the embodiment of FIG 1 and 2 the lens area 7 is limited to the propagation area 20 .

In der 4 ist darüber hinaus zu erkennen, dass die elektrische Kontaktstruktur 11 lediglich mit dem Stegwellenleiter 10 im elektrischen Kontakt steht und gegenüber der übrigen Halbleiterschichtenfolge 2 durch eine elektrische Isolationsschicht 12 isoliert ist. Die elektrische Isolationsschicht 12 umfasst beispielsweise ein Dielektrikum, wie zum Beispiel Siliziumdioxid. Im Übrigen gelten für das Ausführungsbeispiel der 4 die im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen gemachten Ausführungen.In the 4 it can also be seen that the electrical contact structure 11 is only in electrical contact with the ridge waveguide 10 and is insulated from the remaining semiconductor layer sequence 2 by an electrical insulation layer 12 . The electrical insulation layer 12 comprises, for example, a dielectric such as silicon dioxide. Incidentally, apply to the embodiment of 4 the statements made in connection with the exemplary embodiments described above.

5 zeigt eine Halbleiterlaserdiode 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in Draufsicht auf eine Hauptfläche 8 einer Halbleiterschichtenfolge 2. Die Halbleiterlaserdiode 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 5 entspricht im Wesentlichen der Halbleiterlaserdiode 1 des Ausführungsbeispiels der 1 mit dem Unterschied, dass der Brechungsindex im Linsenbereich 7 erniedrigt ist. Beispielsweise sind in dem Linsenbereich 7 Stickstoffatome in die Halbleiterschichtenfolge 2 eingebracht. In der in 5 gezeigten Ansicht weist der Linsenbereich 7 eine Kontur einer Bikonkavlinse auf. Aufgrund des erniedrigten Brechungsindex und der Kontur des Linsenbereichs 7 lässt sich ein Divergenzwinkel einer im Betrieb erzeugten Laserstrahlung verringern. 5 FIG. 1 shows a semiconductor laser diode 1 according to a further exemplary embodiment in a plan view of a main surface 8 of a semiconductor layer sequence 2. The semiconductor laser diode 1 according to the exemplary embodiment in FIG 5 corresponds essentially to the semiconductor laser diode 1 of the embodiment of FIG 1 with the difference that the refractive index in the lens area 7 is reduced. For example, nitrogen atoms are introduced into the semiconductor layer sequence 2 in the lens area 7 . in the in 5 shown view, the lens area 7 has a contour of a biconcave lens. Due to the reduced refractive index and the contour of the lens area 7, a divergence angle of a laser radiation generated during operation can be reduced.

Bei dem Verfahren gemäß den Ausführungsbeispielen der 6 bis 8 wird zunächst ein Halbleiterkörper 13 auf einem Aufwachssubstrat 14 aufgewachsen (6). Mit diesem Verfahren wird insbesondere eine Halbleiterlaserdiode 1 gemäß einem der oben erläuterten Ausführungsbeispiele hergestellt. Der Halbleiterkörper 13 weist eine erste Deckschicht 23, eine erste Wellenleiterschicht 21, eine aktive Zone 3, eine zweite Wellenleiterschicht 22 und eine zweite Deckschicht 24 auf, die bevorzugt in dieser Reihenfolge auf dem Aufwachssubstrat 14 angeordnet werden.In the method according to the embodiments of 6 until 8th a semiconductor body 13 is first grown on a growth substrate 14 ( 6 ). In particular, a semiconductor laser diode 1 according to one of the exemplary embodiments explained above is produced with this method. The semiconductor body 13 has a first cover layer 23, a first waveguide layer 21, an active zone 3, a second waveguide layer 22 and a second cover layer 24, which are preferably arranged on the growth substrate 14 in this order.

An einer Hauptfläche 8 des Halbleiterkörpers 13 wird ein Stegwellenleiter 10 ausgebildet. Beispielsweise wird die erste Deckschicht 24 mittels Ätzen bereichsweise entfernt, wobei lediglich der Stegwellenleiter 10 nicht geätzt wird. A ridge waveguide 10 is formed on a main surface 8 of the semiconductor body 13 . For example, the first cover layer 24 is removed in regions by means of etching, with only the ridge waveguide 10 not being etched.

Alternativ kann die erste Deckschicht 24 bei dem Ätzverfahren auch komplett entfernt werden, so dass der Stegwellenleiter 10 in direktem Kontakt mit der zweiten Mantelschicht 22 steht. In diesem Fall wird eine indexgeführte Halbleiterlaserdiode ausgebildet.Alternatively, the first cover layer 24 can also be completely removed in the etching process, so that the ridge waveguide 10 is in direct contact with the second cladding layer 22 . In this case, an index-guided semiconductor laser diode is formed.

An einer Seite des Stegwellenleiters 10, die von dem Aufwachssubstrat 14 abgewandt ist, wird eine elektrische Kontaktstruktur 11 angeordnet. Die Kontaktstruktur 11 wird beispielsweise mittels Sputtern oder Abscheiden aufgebracht. Die elektrische Kontaktstruktur 11 umfasst beispielsweise mindestens eines der folgenden Metalle: Nickel, Kupfer, Titan, Platin und Gold.An electrical contact structure 11 is arranged on a side of the ridge waveguide 10 that faces away from the growth substrate 14 . The contact structure 11 is applied by sputtering or deposition, for example. The electrical contact structure 11 comprises at least one of the following metals, for example: nickel, copper, titanium, platinum and gold.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein Linsenbereich 7 ausgebildet (7). Der Linsenbereich 7 wird beispielsweise mittels Ionenimplantation ausgebildet. Dabei werden beispielsweise Sauerstoffatome oder Stickstoffatome in die Halbleiterschichtenfolge 2 im Linsenbereich 7 eingebracht. Alternativ kann der Linsenbereich durch Anordnen eines dielektrischen Verpsannungselements 9 an der Hauptfläche 8 erzeugt werden (siehe 3). Der Linsenbereich 7 kann in Draufsicht auf die Hauptfläche 8 mit der Kontur einer Bikonvexlinse (siehe 1) oder mit Kontur einer Bikonkavlinse (siehe 5) ausgebildet werden.In a further method step, a lens area 7 is formed ( 7 ). The lens portion 7 is formed by ion implantation, for example. In this case, for example, oxygen atoms or nitrogen atoms are introduced into the semiconductor layer sequence 2 in the lens area 7 . Alternatively, the lens area can be created by arranging a dielectric clamping element 9 on the main surface 8 (see FIG 3 ). In a plan view of the main surface 8, the lens area 7 can have the contour of a biconvex lens (please refer 1 ) or with a contour of a biconcave lens (see 5 ) be formed.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird aus dem Halbleiterkörper 13 eine Halbleiterschichtenfolge 2 erzeugt (8). Beispielsweise wird der Halbleiterkörper 13 geätzt oder bevorzugt gebrochen. Bei dem Ausbilden der Halbleiterschichtenfolge 2 wird eine Auskoppelfacette 6 und eine Reflexionsfacette 5 ausgebildet. Die Auskoppelfacette 6 und die Reflexionsfacette 5 beschränken die Halbleiterschichtenfolge in einer Abstrahlrichtung 15 beziehungsweise entgegengesetzt der Abstrahlrichtung 15.In a further method step, a semiconductor layer sequence 2 is produced from the semiconductor body 13 ( 8th ). For example, the semiconductor body 13 is etched or preferably broken. When the semiconductor layer sequence 2 is formed, a coupling-out facet 6 and a reflection facet 5 are formed. The coupling-out facet 6 and the reflection facet 5 delimit the semiconductor layer sequence in an emission direction 15 or opposite to the emission direction 15.

Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind bevorzugt voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren realistisch wiedergegeben.Unless otherwise indicated, the components shown in the figures preferably follow one another in the order given. Layers that are not touching in the figures are preferably spaced apart from one another. Insofar as lines are drawn parallel to one another, the corresponding areas are preferably also aligned parallel to one another. Likewise, unless otherwise indicated, the relative positions of the drawn components to one another are realistically reproduced in the figures.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The invention is not limited to these by the description based on the exemplary embodiments. Rather, the invention encompasses every new feature and every combination of features, which in particular includes every combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.

BezugszeichenlisteReference List

11
Kantenemittierende HalbleiterlaserdiodeEdge-emitting semiconductor laser diode
22
Halbleiterschichtenfolgesemiconductor layer sequence
33
aktive Zoneactive zone
44
Verstärkungsbereichreinforcement area
55
Reflexionsfacettereflection facet
66
Auskoppelfacetteextraction facet
77
Linsenbereichlens area
88th
Hauptflächemain surface
99
Dielektrisches Verspannungselementdielectric bracing element
1010
Stegwellenleiterridge waveguide
1111
elektrische Kontaktstrukturelectrical contact structure
1212
Isolationsschichtinsulation layer
1313
Halbleiterkörpersemiconductor body
1414
Aufwachssubstratgrowth substrate
1515
Abstrahlrichtungbeam direction
2020
Ausbreitungsbereichpropagation area
2121
erste Wellenleiterschichtfirst waveguide layer
2222
zweite Wellenleiterschichtsecond waveguide layer
2323
erste Deckschichtfirst top layer
2424
zweite Deckschichtsecond top layer
A-AA-A
Schnittliniecutting line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102011055891 B4 [0011]DE 102011055891 B4 [0011]
  • DE 102015116335 A1 [0011]DE 102015116335 A1 [0011]

Claims (15)

Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode (1) umfassend - eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer aktiven Zone (3) zur Erzeugung einer Laserstrahlung, - einen Verstärkungsbereich (4), in dem die aktive Zone (3) elektrisch gepumpt wird, - eine Reflexionsfacette (5) und - eine Auskoppelfacette (6), wobei - der Verstärkungsbereich (4) von der Auskoppelfacette (6) beabstandet ist, - zwischen dem Verstärkungsbereich (4) und der Auskoppelfacette (6) die Halbleiterschichtenfolge (2) einen Linsenbereich (7) aufweist, - ein Brechungsindex des Linsenbereichs (7) sich von einem Brechungsindex der übrigen Halbleiterschichtenfolge (2) um mindestens 0,1 % unterscheidet, und - der Linsenbereich (7) dazu eingerichtet ist, einen Divergenzwinkel einer im Betrieb erzeugten Laserstrahlung zu verringern.Edge emitting semiconductor laser diode (1) comprising - a semiconductor layer sequence (2) with an active zone (3) for generating a laser radiation, - an amplification region (4) in which the active zone (3) is electrically pumped, - a reflection facet (5) and - A decoupling facet (6), wherein - the amplification area (4) is spaced apart from the decoupling facet (6), - the semiconductor layer sequence (2) has a lens area (7) between the amplification area (4) and the decoupling facet (6), - a refractive index of the lens area (7) differs from a refractive index of the remaining semiconductor layer sequence (2) by at least 0.1%, and - The lens area (7) is set up to reduce a divergence angle of a laser radiation generated during operation. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode (1) nach Anspruch 1, bei der - die Halbleiterschichtenfolge (2) im Linsenbereich (7) und außerhalb des Linsenbereichs (7) auf dem gleichen Halbleitermaterialsystem basiert, und - der Linsenbereich (7) mit der übrigen Halbleiterschichtenfolge (2) monolithisch integriert ist.Edge-emitting semiconductor laser diode (1) after claim 1 , in which - the semiconductor layer sequence (2) in the lens area (7) and outside the lens area (7) is based on the same semiconductor material system, and - the lens area (7) is monolithically integrated with the remaining semiconductor layer sequence (2). Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Brechungsindex des Linsenbereichs (7) sich von dem Brechungsindex der übrigen Halbleiterschichtenfolge (2) um mindestens 3 % unterscheidet.Edge-emitting semiconductor laser diode (1) according to one of the preceding claims, in which the refractive index of the lens region (7) differs from the refractive index of the remaining semiconductor layer sequence (2) by at least 3%. Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im Linsenbereich (7) Fremdatome in die Halbleiterschichtenfolge (2) eingebracht sind.Edge-emitting semiconductor laser diode (1) according to one of the preceding claims, in which foreign atoms are introduced into the semiconductor layer sequence (2) in the lens region (7). Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der auf einer Hauptfläche (8) der Halbleiterschichtenfolge (2) ein dielektrisches Verspannungselement (9) angeordnet ist, wobei - das dielektrische Verspannungselement (9) in Draufsicht auf die Hauptfläche (8) den Linsenbereich (7) zumindest stellenweise überdeckt, und - die Hauptfläche (8) der Halbleiterschichtenfolge (2) außerhalb des Linsenbereichs (7) frei von dem dielektrischen Verspannungselement (9) ist.Edge-emitting semiconductor laser diode (1) according to one of the preceding claims, in the a dielectric bracing element (9) is arranged on a main surface (8) of the semiconductor layer sequence (2), whereby - the dielectric bracing element (9) covers the lens area (7) at least in places in a plan view of the main surface (8), and - the main surface (8) of the semiconductor layer sequence (2) outside of the lens area (7) is free of the dielectric bracing element (9). Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der - die Halbleiterschichtenfolge (2) einen Ausbreitungsbereich (20) umfasst, und - der Linsenbereich (7) eine Höhe aufweist, die der Dicke des Ausbreitungsbereichs (20) entspricht.Edge-emitting semiconductor laser diode (1) according to any one of the preceding claims, in which - the semiconductor layer sequence (2) comprises a propagation region (20), and - the lens area (7) has a height which corresponds to the thickness of the propagation area (20). Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Halbleiterschichtenfolge (2) einen Stegwellenleiter (10) umfasst, der an einer Hauptfläche (8) der Halbleiterschichtenfolge (2) aus dieser herausragt, wobei in Draufsicht auf die Hauptfläche (8) - der Stegwellenleiter (10) den Verstärkungsbereich (4) vollständig überdeckt und - der Stegwellenleiter (10) nicht mit der Reflexionsfacette (5) und der Auskoppelfacette (6) überlappt.Edge-emitting semiconductor laser diode (1) according to one of the preceding claims, in the the semiconductor layer sequence (2) comprises a ridge waveguide (10) which protrudes from the semiconductor layer sequence (2) on a main surface (8) of the latter, wherein in plan view of the main surface (8) - The ridge waveguide (10) completely covers the amplification area (4) and - The ridge waveguide (10) does not overlap with the reflection facet (5) and the decoupling facet (6). Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine elektrische Kontaktstruktur (11) an einer Hauptfläche (8) der Halbleiterschichtenfolge (2), bei der - in Draufsicht auf die Hauptfläche (8) die elektrische Kontaktstruktur (11) zumindest den Verstärkungsbereich (4) vollständig überdeckt, - in Draufsicht auf die Hauptfläche (8) die elektrische Kontaktstruktur (11) von der Reflexionsfacette (5) und der Auskoppelfacette (6) beabstandet ist, und - die elektrische Kontaktstruktur (11) dazu eingerichtet ist, die Halbleiterschichtenfolge (2) im Verstärkungsbereich (4) zu bestromen.Edge-emitting semiconductor laser diode (1) according to any one of the preceding claims, further comprising an electrical contact structure (11) on a main surface (8) of the semiconductor layer sequence (2), in which - in a plan view of the main surface (8), the electrical contact structure (11) completely covers at least the reinforcement area (4), - the electrical contact structure (11) is spaced apart from the reflection facet (5) and the decoupling facet (6) in a plan view of the main surface (8), and - The electrical contact structure (11) is set up to energize the semiconductor layer sequence (2) in the reinforcement region (4). Kantenemittierende Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine indexgeführte Halbleiterlaserdiode (1) ist, bei der die Halbleiterschichtenfolge (2) auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial basiert.Edge-emitting semiconductor laser diode (1) according to one of the preceding claims, which is an index-guided semiconductor laser diode (1), in which the semiconductor layer sequence (2) is based on an arsenide compound semiconductor material. Verfahren zur Herstellung von kantenemittierenden Halbleiterlaserdioden (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: - Ausbilden eines Halbleiterkörpers (13) mit einer aktiven Zone (3) und mindestens einem Verstärkungsbereich (4); - Ausbilden mindestens eines Linsenbereichs (7) in dem Halbleiterkörper (13), indem ein Brechungsindex des Halbleiterkörpers (2) bereichsweise verändert wird; - Ausbilden mindestens einer Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer Auskoppelfacette (6), die die Halbleiterschichtenfolge in Abstrahlrichtung (15) begrenzt, und einer Reflexionsfacette (5), die die Halbleiterschichtenfolge (2) entgegen der Abstrahlrichtung (15) begrenzt, wobei - jede Halbleiterschichtenfolge (2) mit mindestens einem Verstärkungsbereich (4) und mindestens einem Linsenbereich (7) versehen wird, - der mindestens eine Verstärkungsbereich (4) mit einem Abstand zur Auskoppelfacette (6) ausgebildet wird, und - der mindestens eine Linsenbereich (7) zwischen der Auskoppelfacette (6) und dem Verstärkungsbereich (4) angeordnet wird.Method for producing edge-emitting semiconductor laser diodes (1) according to one of the preceding claims, comprising the following steps: - forming a semiconductor body (13) with an active zone (3) and at least one amplification region (4); - Forming at least one lens region (7) in the semiconductor body (13) by a refractive index of the semiconductor body (2) is changed in regions; - Forming at least one semiconductor layer sequence (2) with a decoupling facet (6), which delimits the semiconductor layer sequence in the emission direction (15), and a reflection facet (5), which delimits the semiconductor layer sequence (2) counter to the emission direction (15), wherein - each semiconductor layer sequence (2) is provided with at least one amplification area (4) and at least one lens area (7), - the at least one amplification area (4) is formed at a distance from the decoupling facet (6), and - the at least one lens area (7) is arranged between the decoupling facet (6) and the amplification area (4). Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) im Linsenbereich (7) durch Einbringen von Fremdatomen mittels Ionenimplantation geändert wird.procedure after claim 10 , in which the refractive index of the semiconductor layer sequence (2) in the lens area (7) is changed by introducing foreign atoms by means of ion implantation. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) im Linsenbereich (7) durch stellenweises Aufbringen eines dielektrischen Verspannungselements (7) auf eine Hauptfläche (8) der Halbleiterschichtenfolge (2) geändert wird.procedure after claim 10 or 11 , in which the refractive index of the semiconductor layer sequence (2) in the lens region (7) is changed by locally applying a dielectric stressing element (7) to a main surface (8) of the semiconductor layer sequence (2). Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem - der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) im Linsenbereich (7) gegenüber der übrigen Halbleiterschichtenfolge (2) erhöht wird, - der Linsenbereich (7) in einem Schnitt entlang einer Haupterstreckungsebene der aktiven Zone (3) in Form einer Bikonvexlinse ausgebildet wird.Procedure according to one of Claims 10 until 12 , in which - the refractive index of the semiconductor layer sequence (2) in the lens region (7) is increased compared to the remaining semiconductor layer sequence (2), - the lens region (7) is formed in a section along a main extension plane of the active zone (3) in the form of a biconvex lens . Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem - der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) im Linsenbereich (7) gegenüber der übrigen Halbleiterschichtenfolge (2) erniedrigt wird, - der Linsenbereich (7) in einem Schnitt entlang einer Haupterstreckungsebene der aktiven Zone (3) in Form einer Bikonkavlinse ausgebildet wird.Procedure according to one of Claims 10 until 13 , in which - the refractive index of the semiconductor layer sequence (2) in the lens region (7) is reduced compared to the remaining semiconductor layer sequence (2), - the lens region (7) is formed in a section along a main extension plane of the active zone (3) in the form of a biconcave lens . Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem beim Ausbilden des Halbleiterkörpers (13) mindestens ein Stegwellenleiter (10) mittels Ätzen ausgebildet wird, der den mindestens einen Verstärkungsbereich (4) in Draufsicht auf eine Hauptfläche (8) des Halbleiterkörpers (13) überdeckt.Procedure according to one of Claims 10 until 14 wherein when the semiconductor body (13) is formed, at least one ridge waveguide (10) is formed by etching, which covers the at least one amplification region (4) in a plan view of a main area (8) of the semiconductor body (13).
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