DE102021113016A1 - Halbleiterlaser und optoelektronisches halbleiterkonverterelement - Google Patents

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Hubert Halbritter
Bruno Jentzsch
Tilman Ruegheimer
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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Abstract

Ein Halbleiterlaser (10) umfasst eine Halbleiterschichtanordnung (112), die eine aktive Zone (115) zur Strahlungserzeugung aufweist, einen ersten Resonatorspiegel (125), einen zweiten Resonatorspiegel (130) und einen zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel (125, 130) angeordneten optischen Resonator (105), der sich in einer Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche (101) der Halbleiterschichtanordnung (112) erstreckt. Seitliche Begrenzungsflächen (103) der Halbleiterschichtanordnung (112) verlaufen schräg, so dass eine Reflexion von erzeugter elektromagnetischer Strahlung (15) in Richtung der ersten Hauptoberfläche (101) der Halbleiterschichtanordnung (112) erfolgt. Der erste und der zweite Resonatorspiegel (125, 130) sind über der ersten Hauptoberfläche (101) der Halbleiterschichtanordnung (112) angeordnet. Der Halbleiterlaser (10) weist ferner ein Konverterelement (135, 225) über einer von der Halbleiterschichtanordnung (112) abgewandten Seite des ersten Resonatorspiegels (125) auf.

Description

  • Oberflächenemittierende Halbleiterlaser werden als Leuchtquelle mit sehr hoher Leuchtdichte weitverbreitet eingesetzt. Dabei kann der optische Resonator zur Erzeugung der Laserstrahlung parallel oder senkrecht zur Oberfläche der Halbleiterschichtanordnung ausgerichtet sein. Generell wird nach Konzepten gesucht, derartige oberflächenemittierende Halbleiterlaser zu verbessern und für breitere Anwendungsgebiete zu erschließen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Halbleiterlaser und ein verbessertes optoelektronisches Halbleiterkonverterelement zur Verfügung zu stellen.
  • Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Ein Halbleiterlaser umfasst eine Halbleiterschichtanordnung, die eine aktive Zone zur Strahlungserzeugung aufweist, einen ersten Resonatorspiegel, einen zweiten Resonatorspiegel und einen zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel angeordneten optischen Resonator, der sich in einer Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche der Halbleiterschichtanordnung erstreckt. Seitliche Begrenzungen der Halbleiterschichtanordnung verlaufen schräg, so dass eine Reflexion von erzeugter elektromagnetischer Strahlung in Richtung der ersten Hauptoberfläche der Halbleiterschichtanordnung erfolgt. Der erste und der zweite Resonatorspiegel sind über der ersten Hauptoberfläche der Halbleiterschichtanordnung angeordnet. Der Halbleiterlaser weist ferner ein Konverterelement über einer von der Halbleiterschichtanordnung abgewandten Seite des ersten Resonatorspiegels auf.
  • Gemäß Ausführungsformen umfasst der Halbleiterlaser ferner einen dritten Spiegel, der als Bragg-Spiegel ausgeführt ist und zwischen dem ersten Resonatorspiegel und dem Konverterelement angeordnet ist. Der dritte Spiegel ist geeignet, von der Halbleiterschichtanordnung erzeugte Laserstrahlung durchzulassen und elektromagnetische Strahlung mit größerer Wellenlänge zu reflektieren.
  • Ein Substrat kann zwischen dem Konverterelement und der Halbleiterschichtanordnung angeordnet sein. Beispielsweise kann das Substrat ein Wachstumssubstrat zum Aufwachsen von Schichten der Halbleiterschichtanordnung sein. Beispielsweise können die Schichten der Halbleiterschichtanordnung GaN enthalten. Das Wachstumssubstrat kann beispielsweise ein GaN-Substrat sein.
  • Gemäß Ausführungsformen kann eine metallische Schicht über einer ersten Hauptoberfläche des Substrats angeordnet sein, wobei das Konverterelement über einem ersten Teil der ersten Hauptoberfläche und die metallische Schicht über einem zweiten Teil der ersten Hauptoberfläche des Substrats angeordnet ist.
  • Die metallische Schicht und der erste Resonatorspiegel können direkt an das Substrat angrenzen.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen weist der Halbleiterlaser ein metallisches Gehäuse auf, das an mindestens zwei Seitenflächen des Substrats angrenzt.
  • Das Substrat und der erste Resonatorspiegel können dotiert sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen können das Substrat und der erste Resonatorspiegel undotiert sein. Beispielsweise kann in diesem Fall zusätzlich eine leitende Halbleiterschicht auf einer der aktiven Zone zugewandten Seite des ersten Resonatorspiegels vorgesehen sein. Diese leitende Halbleiterschicht kann geeignet sein, die aktive Zone mit einem ersten Kontaktelement zu verbinden.
  • Gemäß Ausführungsformen kann der Halbleiterlaser ferner ein optisches Element auf einer von der Halbleiterschichtanordnung abgewandten Seite des Konverterelements aufweisen.
  • Gemäß Ausführungsformen kann das Konverterelement in das Wachstumssubstrat integriert sein. Beispielsweise kann ein erster Teil des Wachstumssubstrats porös sein, und Quantendots sind in den porösen Teil des Wachstumssubstrats eingebracht.
  • Beispielsweise kann ein zweiter Teil des Wachstumssubstrats entfernt sein, so dass ein erster Teil des Wachstumssubstrats, in den die Quantendots eingebracht sind, gegenüber dem Wachstumssubstrat hervorsteht.
  • Gemäß Ausführungsformen können verschiedene Quantendots, die jeweils eine Konversion zu unterschiedlichen Wellenlängen bewirken, in verschiedene poröse Bereiche des Wachstumssubstrats eingebracht sein.
  • Ein optoelektronisches Halbleiterkonverterelement umfasst ein GaN-Substrat, eine poröse GaN-Schicht, die über dem GaN-Substrat angeordnet ist, und Quantendots, die in Poren der porösen GaN-Schicht eingelagert sind.
  • Beispielsweise kann die poröse GaN-Schicht jeweils unterschiedliche Bereiche aufweisen, in denen jeweils unterschiedliche Quantendots angeordnet sind.
  • Ein Halbleiterlaser umfasst eine Halbleiterschichtanordnung, die eine aktive Zone zur Strahlungserzeugung aufweist, einen ersten Resonatorspiegel, einen zweiten Resonatorspiegel und einen zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel angeordneten optischen Resonator, der sich in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptoberfläche der Halbleiterschichtanordnung erstreckt. Der Halbleiterlaser umfasst weiterhin ein GaN-Substrat, eine poröse GaN-Schicht, die über dem GaN-Substrat angeordnet ist, und Quantendots, die in Poren der porösen GaN-Schicht eingelagert sind, wobei die in den Poren der porösen GaN-Schicht eingelagerten Quantendots ein Konverterelement darstellen.
  • Beispielsweise kann die Halbleiterschichtanordnung GaN enthalten. Das GaN-Substrat kann beispielsweise ein Wachstumssubstrat zum Wachsen der Halbleiterschichtanordnung darstellen.
  • Eine Halbleiterlaseranordnung weist mehrere Laserelemente auf, die jeweils eine Halbleiterschichtanordnung, die eine aktive Zone zur Strahlungserzeugung aufweist, einen ersten Resonatorspiegel, einen zweiten Resonatorspiegel und einen zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel angeordneten optischen Resonator, der sich in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptoberfläche der Halbleiterschichtanordnung erstreckt, umfassen. Die Halbleiterlaseranordnung umfasst weiterhin ein GaN-Substrat, eine poröse GaN-Schicht, die über dem GaN-Substrat angeordnet ist, und Quantendots, die in Poren der porösen GaN-Schicht eingelagert sind, wobei die in den Poren der porösen GaN-Schicht eingelagerten Quantendots jeweils Konverterelemente darstellen.
  • Beispielsweise können jeweils unterschiedliche Konverterelemente unterschiedlichen Laserelementen zugeordnet sein.
  • Beispielsweise kann die Halbleiterschichtanordnung GaN enthalten. Das GaN-Substrat kann beispielsweise ein Wachstumssubstrat zum Wachsen der Halbleiterschichtanordnung darstellen.
  • Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.
    • 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers gemäß Ausführungsformen.
    • Die 2A bis 2D zeigen Querschnittsansichten des Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen.
    • 3A zeigt ein Werkstück bei Herstellung eines Halbleiterlasers gemäß Ausführungsformen.
    • 3B zeigt eine Querschnittsansicht des Werkstücks gemäß Ausführungsformen.
    • 3C fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.
    • 4A zeigt eine Querschnittsansicht eines Konverterelements gemäß Ausführungsformen.
    • 4B zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterkonverterelements gemäß weiteren Ausführungsformen.
    • Die 5A bis 5D sind Querschnittsansichten von Halbleiterlasern mit vertikalem Resonator gemäß Ausführungsformen.
    • Die 6A bis 6J sind Querschnittsansichten von Halbleitern mit horizontalem Resonator gemäß Ausführungsformen.
    • 6K zeigt eine Querschnittsansicht eines Werkstücks bei Herstellung des Halbleiterlasers.
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
  • Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
  • Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial, beispielsweise einem GaAs-Substrat, einem GaN-Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein.
  • Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, AlGaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, Al-GaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, Al-GaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2O3, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.
  • Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
  • Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
  • Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
  • Üblicherweise kann die Wellenlänge von einem LED-Chip emittierter elektromagnetischer Strahlung unter Verwendung eines Konvertermaterials, welches einen Leuchtstoff oder Phosphor enthält, konvertiert werden. Beispielsweise kann weißes Licht durch eine Kombination eines LED-Chips, der blaues Licht emittiert, mit einem geeigneten Leuchtstoff erzeugt werden. Beispielsweise kann der Leuchtstoff ein gelber Leuchtstoff sein, der, wenn er durch das Licht des blauen LED-Chips angeregt wird, geeignet ist, gelbes Licht zu emittieren. Der Leuchtstoff kann beispielsweise einen Teil der von dem LED-Chip emittierten elektromagnetischen Strahlung absorbieren. Die Kombination von blauem und gelbem Licht wird als weißes Licht wahrgenommen. Durch Beimischen weiterer Leuchtstoffe, die geeignet sind, Licht einer weiteren, beispielsweise einer roten Wellenlänge, zu emittieren, kann die Farbtemperatur geändert werden. Gemäß weiteren Konzepten kann weißes Licht durch eine Kombination, die einen blauen LED-Chip und einen grünen und roten Leuchtstoff enthält, erzeugt werden. Es ist selbstverständlich, dass ein Konvertermaterial mehrere verschiedene Leuchtstoffe, die jeweils unterschiedliche Wellenlängen emittieren, umfassen kann.
  • Beispiele für Leuchtstoffe sind Metalloxide, Metallhalide, Metallsulfide, Metallnitride und andere. Diese Verbindungen können darüber hinaus Zusätze enthalten, die dazu führen, dass spezielle Wellenlängen emittiert werden. Beispielsweise können die Zusätze Seltenerdmaterialien umfassen. Als Beispiel für einen gelben Leuchtstoff kann YAG:Ce3+ (mit Cer aktivierter Yttrium Aluminium Granat (Y3Al5O12) ) oder (Sr1.7Ba0.2Eu0.1) SiO4 verwendet werden. Weitere Leuchtstoffe können auf MSiO4:Eu2+, worin M Ca, Sr oder Ba sein kann, basieren. Durch Auswahl der Kationen mit einer angemessenen Konzentration kann eine erwünschte Konversionswellenlänge ausgewählt werden. Viele weitere Beispiele von geeigneten Leuchtstoffen sind bekannt.
  • Gemäß Anwendungen kann das Leuchtstoffmaterial, beispielsweise ein Leuchtstoffpulver, in ein geeignetes Matrixmaterial eingebettet sein. Beispielsweise kann das Matrixmaterial eine Harz- oder Polymerzusammensetzung wie beispielsweise ein Silikon- oder ein Epoxidharz umfassen. Die Größe der Leuchtstoffteilchen kann beispielsweise in einem Mikrometer- oder Nanometerbereich liegen.
  • Gemäß weiteren Ausführungen kann das Matrixmaterial ein Glas umfassen. Beispielsweise kann das Konvertermaterial durch Sintern des Glases, beispielsweise SiO2 mit weiteren Zusätzen und Leuchtstoffpulver gebildet werden, unter Bildung eines Leuchtstoffs im Glas (PiG).
  • Gemäß weiteren Ausführungen kann das Leuchtstoffmaterial selbst unter Ausbildung einer Keramik gesintert werden. Beispielsweise kann als Ergebnis des Sinterprozesses der keramische Leuchtstoff eine polykristalline Struktur haben.
  • Gemäß weiteren Ausführungen kann das Leuchtstoffmaterial unter Ausbildung eines einkristallinen Leuchtstoffs gewachsen werden, beispielsweise unter Verwendung des Czochralski (Cz-) Verfahrens.
  • Gemäß weiteren Ausführungen kann das Leuchtstoffmaterial selbst ein Halbleitermaterial sein, das im Volumen oder in Schichten eine geeignete Bandlücke zur Absorption des von der LED emittierten Lichtes und zur und der Emission der gewünschten Konversionswellenlänge aufweist. Insbesondere kann es sich hierbei um ein epitaktisch gewachsenes Halbleitermaterial handeln. Beispielsweise kann das epitaktisch gewachsene Halbleitermaterial eine Bandlücke haben, die einer geringeren Energie als der des primär emittierten Lichts entspricht. Weiterhin können mehrere geeignete Halbleiterschichten, die jeweils Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, übereinander gestapelt sein. Ein oder mehrere Quantentröge bzw. Quantentöpfe, Quantenpunkte oder Quantendrähte können in dem Halbleitermaterial gebildet sein.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers 10 gemäß Ausführungsformen. Der Halbleiterlaser weist eine Halbleiterschichtanordnung 112 auf, die eine aktive Zone 115 zur Strahlungserzeugung enthält. Beispielsweise kann die Halbleiterschichtanordnung eine erste Halbleiterschicht 110 von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-Typ sowie eine zweite Halbleiterschicht 120 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-leitend aufweisen. Die aktive Zone 115 ist zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht 110, 120 angeordnet. Die Halbleiterschichten, beispielsweise die erste und/oder die zweite Halbleiterschicht 110, 120 sowie Halbleiterschichten der aktiven Zone 115 können aus dem GaN-Materialsystem ausgewählt sein und beispielsweise über einem GaN-Substrat 100 ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Emissionswellenlänge des Halbleiterlasers in einem Bereich von 400 bis 470 nm liegen.
  • Die aktive Zone kann beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopf-Struktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur“ entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.
  • Der Halbleiterlaser weist ferner einen ersten Resonatorspiegel 125, und einen zweiten Resonatorspiegel 130 auf. Ein optischer Resonator 105 ist in dem Strahlengang zwischen dem ersten Resonatorspiegel 125 und dem zweiten Resonatorspiegel 130 ausgebildet. Wie in 1 dargestellt, weist die Halbleiterschichtanordnung 112 eine schräge Seitenfläche 103 auf, die üblicherweise unter einem Winkel von 45° zu einer horizontalen Oberfläche verläuft. Beispielsweise kann eine dielektrische Schicht als Spiegelschicht 107 auf der schrägen Seitenfläche 103 angeordnet sein. Aufgrund des Brechungsindexunterschieds zwischen der Seitenfläche 103 der Halbleiterschichtanordnung 112 und dem angrenzenden Medium wird in der aktiven Zone 115 erzeugte elektromagnetische Strahlung durch die Seitenfläche 103 jeweils nach oben reflektiert. Der erste Resonatorspiegel 125 und der zweite Resonatorspiegel 130 sind jeweils als Bragg-Spiegel ausgebildet und enthalten jeweils Teile eines Schichtstapels aus geeigneten dielektrischen oder Halbleiterschichten.
  • Generell umfasst der Begriff Bragg-Spiegel jegliche Anordnung, die einfallende elektromagnetische Strahlung zu einem großen Grad (beispielsweise >90%) reflektiert und einen Schichtstapel dünner Schichten enthält. Beispielsweise kann ein Bragg-Spiegel durch eine Abfolge von sehr dünnen dielektrischen oder Halbleiterschichten mit jeweils unterschiedlichen Brechungsindizes ausgebildet werden. Beispielsweise können die Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n>1,7) und einen niedrigen Brechungsindex (n<1,7) haben und als Bragg-Reflektor ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Schichtdicke λ/4 betragen, wobei λ die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem jeweiligen Medium angibt. Die vom einfallenden Licht her gesehene Schicht kann eine größere Schichtdicke, beispielsweise 3λ/4 haben. Ein Bragg-Spiegel kann beispielsweise 2 bis 50 dielektrische oder Halbleiterschichten aufweisen. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 90 nm, beispielsweise etwa 50 nm betragen. Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind.
  • Beispielsweise weist der erste Resonatorspiegel 125 eine geringere Anzahl an Schichten als der zweite Resonatorspiegel 130 auf. Der erste Resonatorspiegel 125 kann beispielsweise epitaktisch aufgewachsene Halbleiterschichten, die beispielsweise AlN/GaN- oder A-lInN/GaN-Schichtenfolgen enthalten, aufweisen. Der zweite Resonatorspiegel 130 kann die Schichten des ersten Resonatorspiegels 125 und eine zweite Schichtenfolge 126, die zusätzlich aufgebrachte dielektrische Schichten aufweist, enthalten. Als Folge ist das Reflexionsvermögen des zweiten Resonatorspiegels 130 größer als das des ersten Resonatorspiegels 125. Als Ergebnis wird die Strahlung von dem zweiten Resonatorspiegel 130 wieder zurück in den Resonator 105 reflektiert, während ein Teil der erzeugen elektromagnetischen Strahlung von dem ersten Resonatorspiegel 125 durchgelassen wird und nach außen emittiert wird.
  • Der in 1 gezeigte Halbleiterlaser weist ferner ein Konverterelement 135 auf, welches über eine von der Halbleiterschichtanordnung 112 abgewandten Seite des ersten Resonatorspiegels 125 angeordnet ist. Die von der aktiven Zone 115 erzeugte elektromagnetische Strahlung 15 wird somit in Richtung des Konverterelements 135 geleitet. Durch das Konverterelement 135 wird die Wellenlänge der von dem Halbleiterlaser 110 elektromagnetischen Strahlung 10 verändert.
  • Beispielsweise kann ein Teil der elektromagnetischen Strahlung zu einer gelben Wellenlänge verändert werden, so dass durch Kombination mit der von der aktiven Zone 115 emittierten Strahlung, die beispielsweise blau sein kann, im Ergebnis weißes Licht erzeugt wird.
  • Gemäß Ausführungsformen können die Halbleiterschichten des ersten Resonatorspiegels 125 mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert sein. In diesem Fall kann eine Kontaktierung der aktiven Zone über den ersten Resonatorspiegel 125 erfolgen.
  • Wie in 1 dargestellt, können die Halbleiterschichtanordnung 112 sowie der erste und mindestens Teile des zweiten Resonatorspiegels 130 über einem Substrat angeordnet sein. Beispielsweise können die Halbleiterschichtanordnung 112 sowie der erste und mindestens Teile des zweiten Resonatorspiegels 130 als Halbleiterschichten über einem Wachstumssubstrat 100 aufgewachsen sein. Beispielsweise kann das Wachstumssubstrat 100 ein GaN-Substrat sein. Die weiteren Schichten des Halbleiterlasers 10 können ebenfalls auf dem GaN-Materialsystem basieren. Das Substrat 100 und der erste Resonatorspiegel 125 können mit Dotierstoffen des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert sein. Ein erstes Kontaktelement 140 kann auf einer von der Halbleiterschichtanordnung 112 abgewandten Seite des Substrats 100 angeordnet sein. Ein zweites Kontaktelement 145 kann auf einer zweiten Hauptoberfläche 102 auf einer von dem Substrat 100 abgewandten Seite der Halbleiterschichtanordnung 112 angeordnet sein.
  • Der optische Resonator 105 erstreckt sich in einer Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche der Halbleiterschichtanordnung 112. Beispielsweise kann eine Länge s des optischen Resonators 105 in einem Bereich von mehreren mm liegen. Beispielsweise kann die Resonatorlänge mehr als 1 mm und weniger als 10 mm betragen. Der Strompfad zwischen dem ersten Kontaktelement 140 und dem zweiten Kontaktelement 145 ist in 1 durch gestrichelte Linien angedeutet.
  • Der Halbleiterlaser 10 kann weiterhin einen dritten Spiegel 136 aufweisen. Beispielsweise kann der dritte Spiegel 136 als Bragg-Spiegel ausgeführt sein und zwischen dem ersten Resonatorspiegel 125 und dem Konverterelement 135 angeordnet sein. Der dritte Spiegel 136 kann zwischen dem Substrat 100 und dem Konverterelement 135 angeordnet sein. Beispielsweise kann der dritte Spiegel 136 einen Schichtaufbau mit Schichten geeigneter Zusammensetzung und Schichtdicke aufweisen, so dass von der Halbleiterschichtanordnung 112 erzeugte Laserstrahlung durchgelassen und elektromagnetische Strahlung mit größerer Wellenlänge reflektiert wird. Auf diese Weise kann von dem Konverterelement 135 konvertierte Laserstrahlung daran gehindert werden, wieder in das Substrat und in den optischen Resonator 105 zurückzukehren.
  • Gemäß Ausführungsformen kann eine weitere reflexionsvermindernde Schicht (nicht dargestellt in 1) über dem Konverterelement angeordnet sein. Beispielsweise kann eine laterale Ausdehnung f des Konverterelements 135 mehr als 50 µm, beispielsweise 100 bis 200 µm betragen.
  • Wie in 1 dargestellt ist, ist ein Großteil der Hauptoberfläche 104 des Substrats 100 mit einer metallischen Schicht 141 belegt. Auf diese Weise kann in dem Konverterelement 135 erzeugte Hitze sehr gut durch die metallische Schicht 141 abgeleitet werden. Aufgrund des Aufbaus, der in 1 dargestellt ist, findet eine gute thermische Ankopplung der Halbleiterschichtanordnung 112 an das Substrat 100 statt. Als Ergebnis kann eine hohe Leuchtdichte des Halbleiterlasers erreicht werden. Dadurch, dass das Konverterelement 135 seitlich an die metallische Schicht 141 angrenzt, kann erzeugte Wärme weiterhin sehr gut abgeführt werden. Beispielsweise grenzen die metallische Schicht 141 und der ersten Resonatorspiegel direkt an das Substrat 100 an.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Wärmeableitung durch ein metallisches Gehäuse weiter verbessert werden. 2A zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. Die Querschnittsansicht der 2A ist in einer Richtung entlang der y-Richtung genommen, d.h. senkrecht zu der Richtung des Querschnitts von 1. Zusätzlich zu den Elementen, die in 1 dargestellt sind, weist der in 2A gezeigte Laser 10 zusätzlich ein metallisches Gehäuse 117 auf, welches das Substrat 100 entlang der y- und der z-Richtung umschließt. Das metallische Gehäuse 117 kann direkt an mindestens zwei Seitenflächen des Substrats 100 angrenzen. Auf diese Weise kann Wärme, die in dem Laser 10, beispielsweise in dem Konverterelement 135 erzeugt wird, besser abgeleitet werden, wodurch die Effizienz des Halbleiterlasers erhöht wird. Beispielsweise können weitere Teile der Halbleiterschichtanordnung 112 sowie das Kontaktelement 145 unterhalb von Teilen des Gehäuses 117 angeordnet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann dieser Teil aber auch durch andere Komponenten ersetzt sein.
  • Die Resonatorbreite d des optischen Resonators 105 entlang der y-Richtung kann beispielsweise kleiner als 200 µm sein. Das Metall des metallischen Gehäuses 117 kann beispielsweise Gold oder jedes andere denkbare Metall sein.
  • 2B zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen, bei denen sich das metallische Gehäuse 117 bis zu einer Ebene der zweiten Hauptoberfläche 102 der Halbleiterschichtanordnung 112 erstreckt. Auf diese Weise kann die Wärme noch besser abgeleitet werden. Weiterhin stellt der Teil des metallischen Gehäuses 117, der sich bis zur zweiten Hauptoberfläche 102 der Halbleiterschichtanordnung 112 erstreckt, auch ein erstes Kontaktelement 140 dar. Entsprechend können das erste und das zweite Kontaktelement des Halbleiterlasers der 2B jeweils von einer Seite kontaktiert werden.
  • Wie in den vorstehenden Beispielen gezeigt wurde, können das Substrat 100 und der erste Resonatorspiegel 125 jeweils dotiert sein, um eine elektrische Anbindung über diese Schichten zu ermöglichen. Gemäß weiteren Ausführungsformen können das Substrat und der erste Resonatorspiegel 125 aber auch undotiert sein. In diesem Fall kann eine zusätzliche dotierte Halbleiterschicht 138 vom ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise eine n-dotierte GaN-Schicht vorgesehen sein, um einen elektrischen Kontakt zu bewirken.
  • 2C zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers mit einer zusätzlichen dotierten Halbleiterschicht 138 gemäß weiteren Ausführungsformen. 2C zeigt weiterhin einen Stromleitungspfad 139 von der Unterseite des ersten Kontaktelements 140 in Richtung der dotierten Halbleiterschicht 138 und schließlich in die Halbleiterschichtanordnung 112. Die weiteren Komponenten sind ähnlich wie bei 2B.
  • Aufgrund der speziellen Konstruktion der Halbleiterschichtanordnung 112 zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung findet bei den hier beschriebenen Ausführungsformen nur eine geringe Lichtaufweitung statt. Daher kann eine laterale Ausdehnung des Konverterelements 135 auch vergleichsweise klein sein. Als Folge kann der Halbleiterlaser 10 gemäß allen Ausführungsformen mit einem optischen Element 122 kombiniert werden. Beispielsweise kann das optische Element 122 eine Kollimationslinse oder ein anderes optisches Element zur Parallelrichtung der emittierten Laserstrahlung 16 sein. Das optische Element 122 kann über dem Konverterelement 135 angeordnet sein. Beispielsweise kann das optische Element direkt an eine Oberseite des metallischen Gehäuses 117 angrenzen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auch ein Luftspalt zwischen dem optischen Element 122 und dem metallischen Gehäuse 117 angeordnet sein.
  • Wie in 2D weiterhin gezeigt ist, ist eine dotierte Halbleiterschicht 138 zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtanordnung 112 vorgesehen. Es ist selbstverständlich, dass das optische Element 132 auch mit Ausführungsformen kombiniert werden kann, bei denen keine dotierte Halbleiterschicht 138 zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtanordnung 112 vorgesehen ist.
  • Das in den 1 und 2A bis 2D gezeigte Konverterelement kann beispielsweise ein keramisches Konverterelement sein. Dieses kann beispielsweise in einem separaten Fertigungsschritt in der benötigten Größe und Dicke erstellt und dann mit einem wenigstens für die von der Halbleiterschichtanordnung 112 erzeugte Wellenlänge transparenten Verbindungsmaterial auf dem Bauteil, beispielsweise auf dem Wachstumssubstrat 100 befestigt werden. Als transparentes Verbindungsmaterial eignen sich beispielsweise Silikon, transparente Glaslote oder eine dielektrische Schicht.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen kann ein Leuchtstoff auch auf dem Wafer flächenhaft abgeschieden werden, beispielsweise durch Aufsprühen, Siebdrucken oder Sedimentieren. Bei dieser Ausgestaltung ist kein Verbindungsmaterial erforderlich. Wird der Leuchtstoff flächenhaft abgeschieden, so ist die Kantenqualität wichtig dafür, wie die thermische Anbindung zwischen dem Konverterelement 135 und der angrenzenden Metallschicht, beispielsweise dem metallischen Gehäuse 117 oder der metallischen Schicht 141 realisiert wird.
  • Bei der Auswahl der Bemessung f der lateralen Ausdehnung des Konverterelements ist zu berücksichtigen, dass eine große Fläche dazu führt, dass divergente emittierte Strahlung 15 besonders gut ausgenutzt werden kann. Allerdings tritt hier der Nachteil auf, dass die seitliche thermische Anbindung bei größerer Ausdehnung schlechter wird, da sich die größte Wärmequelle im Zentrum befindet. Eine typische Größe des Konverterelements f entspricht beispielsweise der Strahldivergenz (1/e2) oder der Strahlausdehnung bis zu einem 5-fachen der Strahlausdehnung („beam waist“).
  • Generell ist die Aufweitung der erzeugten elektromagnetischen Strahlung 15 innerhalb des GaN-Substrats (mit einem Brechungsindex von n ≈ 2,46) nur sehr gering, d.h. beträgt etwa wenige Grad. Das Ergebnis ergibt sich trotz eines Substrats, das dicker als 300 µm ist, ein relativ kleiner Laser-Spot, der sehr gut thermisch angebunden ist, einerseits über das Substrat 100, andererseits über die Wärmeabfuhr in der Wärmesenke sowie über metallische Kontakte.
  • Zur Herstellung des Halbleiterlasers, der in den 1 und 2A bis 2D gezeigt worden ist, werden über einem Wachstumssubstrat 100, beispielsweise einem GaN-Substrat, zunächst ein Halbleiterschichtstapel zur Ausbildung eines ersten und zweiten Resonatorspiegels 125, 130 sowie die Halbleiterschichtanordnung 112 epitaktisch ausgebildet. 3A zeigt ein Beispiel eines sich ergebenden Werkstücks 25.
  • Anschließend wird ein Teil des Substrats 100 entfernt, so dass ein Teil einer Oberfläche des Halbleiterschichtstapels zur Ausbildung des ersten und des zweiten Resonatorspiegels 125, 130 freiliegt. Über diesem freiliegenden Teil wird sodann eine weitere Schichtenfolge 126 zur Ausbildung des zweiten Resonatorspiegels 130 aufgewachsen. Beispielsweise kann die weitere Schichtenfolge 126 beliebige dielektrische Schichten wie beispielsweise SiO, SiN, NbO, TiO, TaO und weitere enthalten. Die dielektrischen Schichten können beispielsweise durch Abscheideverfahren wie Sputtern und andere aufgebracht werden.
  • 3B zeigt eine Querschnittsansicht eines sich ergebenden Werkstücks 25.
  • 3C fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen. Ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers umfasst das Ausbilden (S100) eines ersten Resonatorspiegels sowie einer Halbleiterschichtanordnung, die eine aktive Zone zur Strahlungserzeugung aufweist, über einem Wachstumssubstrat. Das Verfahren umfasst weiterhin das Ausbilden eines zweiten Resonatorspiegel (S110), so dass zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel ein optischer Resonator ausgebildet wird, der sich in einer Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche der Halbleiterschichtanordnung erstreckt. Das Verfahren umfasst weiterhin das Definieren (S120) seitlicher Begrenzungen der Halbleiterschichtanordnung, so dass diese schräg verlaufen und eine Reflexion von erzeugter elektromagnetischer Strahlung in Richtung der ersten Hauptoberfläche der Halbleiterschichtanordnung erfolgt und der erste und der zweite Resonatorspiegel über der ersten Hauptoberfläche der Halbleiterschichtanordnung angeordnet sind. Das Verfahren umfasst weiterhin das Aufbringen (S130) eines Konverterelements über einer von der Halbleiterschichtanordnung abgewandten Seite des ersten Resonatorspiegels. Das Definieren (S120) seitlicher Begrenzungen der Halbleiterschichtanordnung kann beispielsweise ein Ätzverfahren umfassen, durch welches schräge Seitenwände, beispielsweise mit einem Winkel von 45° gegenüber einer horizontalen Richtung erzeugt werden.
  • Wie beschrieben worden ist, lässt sich mit dem Halbleiterlaser eine weiße Leuchtquelle mit sehr hoher Leuchtdichte bereitstellen. Die emittierte elektromagnetische Strahlung 15 ist stark kollimiert.
  • 4A zeigt eine Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterkonverterelements 20 gemäß Ausführungsformen. Das Halbleiterkonverterelement 20 umfasst ein GaN-Substrat 200 sowie eine poröse GaN-Schicht 210, die über dem GaN-Substrat 200 angeordnet ist. In dem mittleren Bereich der porösen GaN-Schicht 210 sind Teilchen eines Konverter- oder Leuchtstoffmaterials eingelagert. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Teilchen des Leuchtstoffmaterials Quantendot-Teilchen sind. Genauer gesagt liegt das Leuchtstoffmaterial in Form von Nanoteilchen oder Mikrokristallen vor, die als Quantendots realisiert sind.
  • Quantendots („QDs“ oder Quantenpunkte, auch als Halbleiter-Nanokristalle bekannt) sind kleine Kristalle aus II-VI-, III-V-, IV-V-Materialien, die typischerweise einen Durchmesser von 1 nm bis 20 nm haben, was im Bereich der de-Broglie Wellenlänge der Ladungsträger liegt. Der Energieunterschied der Ladungsträger-Zustände eines Quantendots ist eine Funktion von sowohl der Zusammensetzung als auch der physikalischen Größe der Quantendots. Das heißt, bei vorgegebenem Material kann durch Variation der Größe das Emissionsspektrum der Quantendots variiert werden. Entsprechend kann unter Verwendung von Quantendots ein großer Wellenlängenbereich erzeugt werden.
  • Beispielsweise können die Quantendots ein Kernmaterial enthalten, welches von einem Schalenmaterial umgeben ist. Die Bandlücke des Halbleiter-Kernmaterials kann kleiner sein als die Bandlücke des Halbleiter-Schalenmaterials. Beispielsweise kann der Kern aus CdSe aufgebaut sein, und die Schale kann CdS sowie gegebenenfalls weitere Schichten enthalten. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Kern aus InP aufgebaut sein, und die Schale enthält ZnS und gegebenenfalls weitere Schichten. Pulver aus derartigen Quantendot-Nanoteilchen sind kommerziell erhältlich. Prinzipiell können Quantendots eines oder mehrere der folgenden Materialien enthalten: CdS, CdSe, CdTe, CdPo, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnPo, HgS, HgSe, HgTe, MgS, MgSe, MgTe, PbSe, PbS, PbTe, GaN, GaP, GaAs, InP, InAs, CuInS2, edS1-xSe, BaTiO3, PbZrO3, PbZrxTi1-xO3, BaxSr1-x, SrTiO3, LaMnO3, CaMnO3 und La1-„Ca"MnO3.
  • Die in die Poren eingelagerten Quantendots sind in der Lage, eintreffende elektromagnetische Strahlung zu absorbieren und elektromagnetische Strahlung mit größerer Wellenlänge zu emittieren. Entsprechend wird durch den Bereich der porösen GaN-Schicht 210, in den Quantendots eingelagert sind, ein Konverterelement 225 bereitgestellt, der geeignet ist, die Wellenlänge von eintreffendem Licht zu verändern.
  • Die poröse GaN-Schicht 210 kann beispielsweise durch einen elektrochemischen Prozess erzeugt werden, bei dem eine Spannung zwischen einer dotierten GaN-Schicht und einer Gegenelektrode angelegt wird. Beispielsweise werden die Poren in einer n-dotierten GaN-Schicht, die beispielsweise mit Si dotiert ist, ausgebildet. Die Entstehung der Nanoporen ist dabei von einem Dotierniveau abhängig. Gemäß Ausführungsformen kann die Erzeugung der Poren durch Einstrahlung von Licht beschleunigt werden. Gemäß Ausführungsformen kann die dotierte GaN-Schicht zur Ausbildung der porösen GaN-Schicht ein entsprechend dotierter Teil des Wachstumssubstrats sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen wird über einem GaN-Substrat eine Si-dotierte GaN-Schicht aufgewachsen. Gemäß Ausführungsformen kann eine transparente Zwischenschicht als Ätzstoppschicht 215 zwischen dem GaN-Substrat und der Si-dotierten GaN-Schicht ausgebildet werden. Die transparente Schicht oder Ätzstoppschicht 215 kann beispielsweise AlGaN oder GaN/InGaN mit einer Ge-Dotierung oder undotiertes GaN enthalten. Wird eine Spannung zwischen der n-dotierten GaN-Schicht und einer Gegenelektrode angelegt, so bilden sich die Poren lediglich in der n-dotierten GaN-Schicht aus. Nach Ausbildung der Poren können geeignete Quantendots in die Poren eingefüllt werden. Auf diese Weise ergibt sich ein optoelektronisches Halbleiterkonverterelement, welches einstückig oder integral mit einem GaN-Substrat ausgebildet ist. Als Ergebnis kann somit ein optoelektronischer Konverter bereitgestellt werden, der integral mit dem Bauteil verbunden ist und nicht von diesem gelöst werden kann, wodurch beispielsweise die Augensicherheit verbessert wird. Weiterhin wird, da es keine Luftumgebung gibt, das Konverterelement ideal in Richtung Wärmesenke angebunden. Als Ergebnis kann erzeugte Wärme sehr gut abgeführt werden, wodurch die Effizienz des Bauelements verbessert wird.
  • Gemäß Ausführungsformen kann ein einziges Quantendotmaterial in die erzeugten Poren eingefüllt werden, wodurch ein Konverterelement bereitgestellt wird, das zu einer Wellenlänge konvertiert.
  • Wie in 4B gezeigt ist, ist es gemäß weiteren Ausführungsformen aber auch möglich, unterschiedliche Bereiche der porösen Schicht 210 mit unterschiedlichen Quantendotmaterialien zu befüllen, so dass verschiedene Konverterelementbereiche 2251, 2252, 2253 und 2254 bereitgestellt werden. Die unterschiedlichen Konverterelementbereiche 2251, ..., 2254 können dabei jeweils eine Konversion zu unterschiedlichen Wellenlängen bewirken.
  • Gemäß Ausführungsformen kann eine Versiegelungsschicht 220 über der Oberfläche der porösen GaN-Schicht angeordnet sein. Ein Material der Versiegelungsschicht 220 kann beispielsweise SiO oder SiN enthalten. Durch die Versiegelungsschicht 220 kann eine Reflexion in das Substrat verhindert oder unterdrückt werden.
  • Wie nachfolgend beschrieben werden wird, lässt sich das optoelektronische Halbleiterkonverterelement 20 mit einem Halbleiterlaser kombinieren, wodurch eine eine Lichtquelle mit hoher Leuchtdichte zur Emission stark kollimierter Strahlung bereitgestellt wird. Bei Integration mit einem GaN-basierten Laser lässt sich das Wachstumssubstrat zur Ausbildung der Halbleiterschichtenfolge, die den Laser ausbildet, gleichzeitig zur Ausbildung des Halbleiterkonverterelements 20 verwenden.
  • Das optoelektronische Halbleiterkonverterelement, das unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben worden ist, kann beispielsweise mit einem VCSEL („Vertical Cavity Surface Emitting Laser“) kombiniert werden.
  • 5A zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers 30, welcher eine Kombination aus einem VCSEL und dem beschriebenen optoelektronischen Halbleiterkonverterelement 20 umfasst. Der Halbleiterlaser 30 umfasst einen ersten Resonatorspiegel 125, einen zweiten Resonatorspiegel 130 sowie einen optischen Resonator 205, der zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 125, 130 angeordnet ist, umfasst. Die Schichten zur Ausbildung des optischen Resonators 205 umfassen eine erste Halbleiterschicht 110 vom ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-Typ, eine zweite Halbleiterschicht 120 vom zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-Typ sowie eine aktive Zone 115, die zwischen der ersten Halbleiterschicht 110 und der zweiten Halbleiterschicht 120 angeordnet ist. Die erste und die zweite Halbleiterschicht 110, 120 sowie die aktive Zone 115 und die Schichten des ersten Resonatorspiegels 125 bilden den Halbleiterschichtstapel 212. Der optische Resonator 205 erstreckt sich senkrecht zu einer ersten Hauptoberfläche 110 der Halbleiterschichtanordnung 212. Der erste Resonatorspiegel 125 kann beispielsweise
  • AlN/GaN- oder AlInN/GaN-Schichtenfolgen aufweisen, die epitaktisch aufgewachsen sein können. Der zweite Resonatorspiegel 130 kann beispielsweise dielektrische Schichten, beispielsweise SiO, SiN, NbO, TiO, TaO umfassen.
  • Über der Halbleiterschichtanordnung 212 ist das optoelektronische Halbleiterkonverterelement wie vorstehend beschrieben angeordnet. Genauer gesagt, ist ein GaN-Substrat 200 sowie eine poröse Schicht 210 über der Halbleiterschichtanordnung 212 angeordnet. In einem Teil der porösen GaN-Schicht 210 sind Quantendots eingefüllt, wodurch ein Konverterelement 225 erzeugt wird. Weiterhin kann eine Versiegelungsschicht 220 über der porösen GaN-Schicht 210 angeordnet sein.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen kann zusätzlich ein Farbfilter 218 über der Versiegelungsschicht 220 angeordnet sein. Der Farbfilter 218 kann aber auch direkt an die poröse GaN-Schicht 210 angrenzen und beispielsweise eine Versiegelungsschicht darstellen. Beispielsweise kann die Farbfilterschicht 218 geeignet sein, blaues Licht, wieder zurück zu reflektieren, so dass lediglich konvertiertes Licht durch den Halbleiterlaser 30 emittiert wird. Die Verwendung eines Farbfilters kann beispielsweise in Fällen günstig sein, in denen reine Farben emittiert werden sollen und nicht eine Farbmischung.
  • 5B zeigt einen Halbleiterlaser 30 gemäß weiteren Ausführungsformen. Der Halbleiterlaser 30 enthält beispielsweise zwei identische Halbleiterschichtanordnungen 212, die jeweils geeignet sind, Laserstrahlung 15 zu emittieren. Das Konverterelement 20 weist zwei unterschiedliche Konverterelementbereiche 2251, 2252 auf, die jeweils geeignet sind, Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge zu emittieren. Auf diese Weise können in den unterschiedlichen Bereichen des Halbleiterlasers jeweils unterschiedliche Wellenlängen emittiert werden. Beispielsweise kann der Konverterelementbereich 2251 geeignet sind, gelbes Licht zu emittieren, und der Konverterelementbereich 2252 kann geeignet sein, grünes Licht zu emittieren. Weiterhin ist es möglich, dass einer der Konverterelemente IR-Strahlung emittiert. Wie erwähnt kann die Halbleiterschichtanordnung 212 jeweils der Emissionsbereiche identisch sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Halbleiterschichtanordnung auch jeweils unterschiedlich sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann ein Farbfilter über der Versiegelungsschicht 220 angeordnet sein. Auf diese Weise kann beispielsweise nicht-konvertiertes Licht wieder zurückreflektiert werden oder unterdrückt werden. Auf diese Weise ist es möglich, einen Halbleiterlaser bereitzustellen, bei dem auf Pixel-Ebene eine unterschiedliche Konversion und damit eine unterschiedliche Emissionswellenlänge erreicht wird. 5B zeigt ferner eine Ansteuerschaltung 2111, 2112, durch die es möglich ist, einzelne Laserelemente gezielt anzusteuern. Auf diese Weise kann ermöglicht werden, dass bestimmte Pixel selektiv ein- und ausgeschaltet werden, wodurch eine farbige Darstellung oder eine Bilddarstellung ermöglicht wird.
  • Beispielsweise kann eine Breite f des Konverterelements 225 oder Apertur des Halbleiterlasers wenige µm betragen. Beispielsweise kann die Breite f kleiner als 10 µm oder auch kleiner als 5 µm sein. Die Breite f kann beispielsweise größer als 500 nm sein. Die Schichtdicke des Substrats 100 kann beispielsweise in einem Bereich von 100 bis 300 µm liegen. Da GaN-basierte VCSEL eine sehr enge Abstrahlcharakteristik haben, weitet sich aufgrund der dünnen Schichtdicke des Substrats der emittierte Strahl nur wenig auf. Als Ergebnis kann erreicht werden, dass sich die emittierte Strahlung 16 benachbarter Laserelemente oder Konverterelementbereiche 2251, 2252,...225i nicht überlagert.
  • 5C zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers 30 gemäß weiteren Ausführungsformen. Zusätzlich zu den Elementen, die in 5B dargestellt sind, weist der Halbleiterlaser 30 in 5C eine Anordnung optischer Elemente 122, beispielsweise eine Mikrolinsen-Anordnung auf. Auf diese Weise kann beispielsweise emittiertes Licht besser kollimiert werden. Selbstverständlich können optische Elemente 122, beispielsweise eine Mikrolinsen-Anordnung auch mit weiteren Ausführungsformen des Halbleiterlasers, die im Rahmen dieser Anmeldung beschrieben sind, kombiniert werden.
  • 5D zeigt ein Werkstück 25 bei der Herstellung des Halbleiterlasers, der in den 5A bis 5C beschrieben worden ist. Beispielsweise kann über einem GaN-Substrat 200 eine Halbleiterschichtenfolge 212 aufgebracht werden, die Schichten zur Ausbildung des ersten Resonatorspiegels 125, der ersten Halbleiterschicht 110, der aktiven Zone 115 und der zweiten Halbleiterschicht 120 aufweist. Die Schichten zur Ausbildung des zweiten Resonatorspiegels 130 können bereits in diesem Verfahrensstadium aufgebracht werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Schichten zur Ausbildung des zweiten Resonatorspiegels 130 auch später aufgebracht werden. Sodann kann eine dotierte Schicht über der zweiten Hauptoberfläche 202 des GaN-Substrats ausgebildet werden. Die zweite Hauptoberfläche 202 ist der ersten Hauptoberfläche 201 entgegengesetzt. Beispielsweise kann die n-dotierte GaN-Schicht durch eine transparente Ätzstoppschicht 215 wie zuvor beschrieben von dem GaN-Substrat getrennt sein. Anschließend können Poren in der Schicht 210 ausgebildet werden, beispielsweise durch elektrochemisches Ätzen, wodurch die poröse GaN-Schicht 210 entsteht. Obwohl beschrieben ist, dass eine Ätzstoppschicht vorgesehen ist, kann unter Umständen auf die Ätzstoppschicht auch verzichtet werden. Beispielsweise kann ein Porenwachstum zeitgesteuert stattfinden, um sicherzustellen, dass nur ein bestimmter Oberflächenbereich porös gemacht wird.
  • Darauf folgend können wie zuvor beschrieben, Quantendots in Bereiche der porösen GaN-Schicht 120 eingebracht werden. Die Versiegelungsschicht 220 kann über der porösen GaN-Schicht 210 aufgebracht werden. Weiterhin können Bearbeitungsschritte durchgeführt werden, um Komponenten des Halbleiterlasers fertigzustellen. Beispielsweise können die Schichten des zweiten Resonatorspiegels 130 ausgebildet werden. Elektrische Kontakte, um in den Halbleiterlaser einen Strom einzuprägen, können ausgebildet werden.
  • Wie beschrieben worden ist, ergibt sich bei Kombination des optoelektronischen Halbleiterkonverterelements 20 mit einem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser eine Weißlichtquelle mit hoher Leuchtdichte, der geeignet ist, stark kollimierte Laserstrahlung zu emittieren.
  • Das unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschriebene optoelektronische Halbleiterkonverterelement kann auch mit dem in den 1 und 2A bis 2D beschriebenen Halbleiterlaser, dessen Resonator parallel zu einer Oberfläche der Halbleiterschichtanordnung 112 verläuft, kombiniert werden.
  • 6A zeigt einen entsprechenden Halbleiterlaser 10. Dabei entsprechen die einzelnen Komponenten, die in 6A dargestellt sind, im Wesentlichen Komponenten, die in 1 dargestellt sind. Allerdings ist hier abweichend von Ausführungsformen, die in 1 dargestellt sind, das Konverterelement 225 Teil des Halbleitersubstrats 100, bzw. in das Halbleitersubstrat 100 integriert. Entsprechend befindet sich ein Konverterelement 225 auf derselben Höhe wie eine erste Hauptoberfläche 111 des Halbleitersubstrats 100. Eine Versiegelungsschicht 220 ist über der ersten Hauptoberfläche 111 des GaN-Substrats 100 angeordnet und verkapselt den Bereich des Substrats 100, in dem die Quantendots eingebracht sind. Abweichend von dem in 1 dargestellten Halbleiterlaser ist hier kein dritter Spiegel zwischen dem ersten Resonatorspiegel 125 und dem Konverterelement 225 angeordnet.
  • Die Komponenten des Halbleiterlasers 10 in 6B entsprechen jeweils den Komponenten des Halbleiterlasers in 2B, so dass auf eine ausführliche Diskussion hier verzichtet wird. Wiederum ist hier das Konverterelement 225 in das Substrat 100 integriert. Ein dritter Spiegel ist nicht vorgesehen.
  • Komponenten des Halbleiterlasers 10 aus 6C entsprechen jeweils den Komponenten des Halbleiterlasers 10 aus 2C. Abweichend ist hier das Konverterelement 225 in das Halbleitersubstrat 100 integriert. Auch hier fehlt der dritte Spiegel. Entsprechend wird auf eine Diskussion der Elemente verzichtet.
  • Die Komponenten des Halbleiterlasers 10 in 6D entsprechen jeweils den Komponenten des Halbleiterlasers 10 in 2D. abweichend von der Darstellung in 2D ist hier das Konverterelement 225 in das Halbleitersubstrat integriert. Weiterhin fehlt der dritte Spiegel. Das optische Element 122 ist bündig auf dem metallischen Gehäuse 117 aufgebracht. Auf diese Weise lässt sich ein Halbleiterlaser in kompakterer Weise mit optischen Elementen 122 integrieren.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen kann nach Ausbilden der Konverterelemente 225 ein Teil der ersten Hauptoberfläche des Wachstumssubstrats 100 zurückgeätzt werden, wodurch sich zurückgezogene Bereiche 113 der ersten Hauptoberfläche ergeben. Dies ist in 6E veranschaulicht. Hier ist ein Teil der Oberfläche des Substrats 100, in dem kein Konverterelement 225 ausgebildet ist, zurückgeätzt. Als Ergebnis steht das Konverterelement 225 gegenüber dem Substrat 100 hervor. Gleichwohl ist das Konverterelement 225 einstückig mit dem Substrat 100 ausgebildet. In diesem Fall kann beispielsweise das metallische Gehäuse 117 derart ausgebildet werden, dass es seitlich das Konverterelement 225 umschließt. Auf diese Weise kann ein besonders guter thermischer Kontakt zu dem Konverterelement 225 bereitgestellt werden und weiterhin der Halbleiterlaser 10 kompakter ausgeführt werden.
  • 6F zeigt einen Halbleiterlaser 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. Hier weist das Substrat 100 zurückgezogene Bereiche 113 auf. Zusätzlich sind Diffusoren 222, beispielsweise aus TiO2 angrenzend an das Konverterelement 225 angeordnet. Die Diffusoren streuen Licht effizient zurück und bilden somit quasi eine Apertur. Dabei streuen die Diffusoren 222 das Licht breitbandig, also insbesondere den weißen Anteil, effizient zurück.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen kann, beispielsweise ausgehend von der in 6E gezeigten Struktur ein Teil des metallischen Gehäuses 117 über dem zurückgezogenen Bereich 113 dünner ausgeführt sein, so dass das Konverterelement 225 über dem Gehäuse 117 hervorsteht. Beispielsweise kann in diesem Fall die reflexionsvermindernde Schicht 220 gegenüber allen Seitenflächen des Konverterelements 225 angeordnet sein, um eine Reflexion der elektromagnetischen Strahlung zurück in Richtung der aktiven Zone zu verringern.
  • Dies ist in 6G veranschaulicht.
  • Wie in 6H gezeigt ist, kann das Konverterelement 225 auch linsenartig ausgebildet sein. Auf diese Weise kann eine beliebige Abstrahlcharakteristik erzielt werden.
  • 61 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Halbleiterlasers 10. Beispielsweise kann, wie in 61 veranschaulicht ist, der Konverter großflächig ausgebildet werden, so dass er den kompletten Bereich des strukturierten Halbleiterschichtstapels 112 überlappt. Weiterhin können sowohl der erste als auch der zweite Resonatorspiegel 125, 130, aus einem einzigen Halbleiterschichtstapel, beispielsweise AlN/GaN- oder AlInN/GaN-Schichten aufgebaut sein. Als Ergebnis haben in diesem Fall der erste und der zweite Resonatorspiegel ein identisches Reflexionsvermögen. Entsprechend kann von beiden Seiten der aktiven Zone elektromagnetische Strahlung emittiert werden und anschließend durch das Konverterelement 225 konvertiert werden. Als Ergebnis kann ein Halbleiterlaser mit größerer Emissionsfläche bereitgestellt werden. Weitere Elemente des in 61 gezeigten Halbleiterlasers sind unter Bezugnahme auf die 6A und 1 beschrieben worden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es möglich, bei einer derartigen Ausbildung von erstem und zweitem Resonatorspiegel 125, 130, jeweils unterschiedliche Konverterelemente 2251, 2252 vorzusehen. Entsprechend kann an den beiden Seiten der aktiven Zone 115 elektromagnetische Strahlung jeweils unterschiedlicher Wellenlänge emittiert werden. Weitere Elemente des in 61 gezeigten Halbleiterlasers sind unter Bezugnahme auf die 6A und 1 beschrieben worden.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es möglich, jeweils einen Farbfilter 218 über dem Konverterelement 225 vorzusehen. Auf diese Weise kann blaues Restlicht unterdrückt werden oder zurückreflektiert werden.
  • 6K veranschaulicht einen Halbleiterschichtstapel bzw. ein Werkstück 25 zur Herstellung des Halbleiterlasers der unter Bezugnahme auf die 6A bis 6J beschrieben worden ist. Über einem GaN-Substrat 200 werden Schichten zur Ausbildung des ersten Resonatorspiegels 125, der ersten Halbleiterschicht 110, der aktiven Zone 115 und der zweiten Halbleiterschicht 120 ausgebildet. Anschließend wird die poröse GaN-Schicht 210 in der Weise wie sie zuvor beschrieben worden ist, ausgebildet. Gegebenenfalls kann eine transparente Ätzstoppschicht vorgesehen sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann aber auch auf diese Schicht verzichtet werden. Die Ätzstoppschicht kann beispielsweise AlGaN oder GaN(InGaN) mit einer Ge-Dotierung oder undotiertes GaN sein. Das Dotierniveau der porösen Schicht 210 kann beispielsweise größer als 5*1018/cm3 sein. Durch Einbringen von Quantentdots in die poröse Schicht 210 kann das Konverterelement 225 (nicht dargestellt in 6K) hergestellt werden, wie zuvor beschrieben worden ist. Nachfolgend können weitere Schritte zur Herstellung von Elementen des Halbleiterlasers durchgeführt werden.
  • Die hier beschriebenen Halbleiterlaser können beispielsweise als Leuchtquelle, beispielsweise als Weißlichtleuchtquelle oder als breitbandige mit hoher Luminanz eingesetzt werden. Weiterhin können insbesondere die beschriebenen Halbleiterlaseranordnungen als Anzeigevorrichtungen, beispielsweise als RGB-Anzeigevorrichtung verwendet werden.
  • Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Halbleiterlaser
    15
    erzeugte elektromagnetische Strahlung
    16
    konvertierte elektromagnetische Strahlung
    20
    Halbleiterkonverterelement
    25
    Werkstück
    30
    Halbleiterlaser
    100
    Substrat
    101
    erste Hauptoberfläche der Halbleiterschichtanordnung
    102
    zweite Hauptoberfläche der Halbleiterschichtanordnung
    103
    seitliche Begrenzungsfläche
    104
    erste Hauptoberfläche des Substrats
    105
    Resonator
    107
    Spiegelschicht
    108
    erster Teil der ersten Hauptoberfläche
    109
    zweiter Teil der ersten Hauptoberfläche
    110
    erste Halbleiterschicht
    111
    erste Hauptoberfläche des Substrats
    112
    Halbleiterschichtanordnung
    113
    zurückgezogene Bereiche der ersten Hauptoberfläche
    115
    aktive Zone
    117
    metallisches Gehäuse
    120
    zweite Halbleiterschicht
    122
    optisches Element
    125
    erster Resonatorspiegel
    126
    zweite Schichtenfolge
    130
    zweiter Resonatorspiegel
    135
    Konverterelement
    136
    dritter Spiegel
    138
    dotierte Halbleiterschicht
    139
    Stromleitungspfad
    140
    erstes Kontaktelement
    141
    metallische Schicht
    145
    zweites Kontaktelement
    200
    GaN-Substrat
    201
    erste Hauptoberfläche des GaN-Substrats
    202
    zweite Hauptoberfläche des GaN-Substrats
    205
    optischer Resonator
    210
    poröse GaN-Schicht
    2111, 2112
    Ansteuerschaltung
    212
    Halbleiterschichtanordnung
    215
    Ätzstoppschicht
    218
    Farbfilter
    220
    Versiegelungsschicht
    222
    TiO-Diffusor
    225
    Konverterelement
    2251, 2252
    Konverterelementbereich

Claims (21)

  1. Halbleiterlaser (10) mit einer Halbleiterschichtanordnung (112), die eine aktive Zone (115) zur Strahlungserzeugung aufweist, einem ersten Resonatorspiegel (125), einem zweiten Resonatorspiegel (130) und einem zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel (125, 130) angeordneten optischen Resonator (105), der sich in einer Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche (101) der Halbleiterschichtanordnung (112) erstreckt, wobei seitliche Begrenzungsflächen (103) der Halbleiterschichtanordnung (112) schräg verlaufen, so dass eine Reflexion von erzeugter elektromagnetischer Strahlung (15) in Richtung der ersten Hauptoberfläche (101) der Halbleiterschichtanordnung (112) erfolgt und der erste und der zweite Resonatorspiegel (125, 130) über der ersten Hauptoberfläche (101) der Halbleiterschichtanordnung (112) angeordnet sind, und der Halbleiterlaser (10) ferner ein Konverterelement (135, 225) über einer von der Halbleiterschichtanordnung (112) abgewandten Seite des ersten Resonatorspiegels (125) aufweist.
  2. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 1, ferner mit einem dritten Spiegel (136), der als Bragg-Spiegel ausgeführt ist und zwischen dem ersten Resonatorspiegel (125) und dem Konverterelement (135, 225) angeordnet ist und der geeignet ist, von der Halbleiterschichtanordnung (112) erzeugte Laserstrahlung (15) durchzulassen und elektromagnetische Strahlung (16) mit größerer Wellenlänge zu reflektieren.
  3. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einem Substrat (100) zwischen dem Konverterelement (135, 225) und der Halbleiterschichtanordnung (112).
  4. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 3, ferner mit einer metallischen Schicht (141) über einer ersten Hauptoberfläche (104) des Substrats (100), wobei das Konverterelement (135) über einem ersten Teil der ersten Hauptoberfläche (104) und die metallische Schicht (141) über einem zweiten Teil der ersten Hauptoberfläche (104) des Substrats (100) angeordnet ist.
  5. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 4, wobei die metallische Schicht (141) und der erste Resonatorspiegel (125) direkt an das Substrat (100) angrenzen.
  6. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 3 oder 4, ferner mit einem metallischen Gehäuse (117), das an mindestens zwei Seitenflächen des Substrats (100) angrenzt.
  7. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (100) und der erste Resonatorspiegel (125) dotiert sind.
  8. Halbleiterlaser (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Substrat (100) und der erste Resonatorspiegel (125) undotiert sind, ferner mit einer leitenden Halbleiterschicht (138) auf einer der aktiven Zone (115) zugewandten Seite des ersten Resonatorspiegels (125), die geeignet ist, die aktive Zone (115) mit einem ersten Kontaktelement (140) zu verbinden.
  9. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem optischen Element (122) auf einer von der Halbleiterschichtanordnung (112) abgewandten Seite des Konverterelements (135, 225).
  10. Halbleiterlaser (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, bei dem das Substrat (100) ein Wachstumssubstrat für die Halbleiterschichtanordnung (112) ist.
  11. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 9, wobei das Konverterelement (135, 225) in das Wachstumssubstrat (200) integriert ist.
  12. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 11, wobei ein erster Teil (210) des Wachstumssubstrats (200) porös ist und Quantendots in den porösen Teil (210) des Wachstumssubstrats eingebracht sind.
  13. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 12, wobei ein zweiter Teil des Wachstumssubstrats (200) entfernt ist, so dass ein erster Teil des Wachstumssubstrats (200), in den die Quantendots eingebracht sind, gegenüber dem Wachstumssubstrat (200) hervorsteht.
  14. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 12 oder 13, wobei verschiedene Quantendots, die jeweils eine Konversion zu unterschiedlichen Wellenlängen bewirken, in verschiedene poröse Bereiche des Wachstumssubstrats (200) eingebracht sind.
  15. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtanordnung (112) GaN enthält.
  16. Optoelektronisches Halbleiterkonverterelement (20), umfassend: ein GaN-Substrat (200); eine poröse GaN-Schicht (210), die über dem GaN-Substrat (200) angeordnet ist, Quantendots, die in Poren der porösen GaN-Schicht (210) eingelagert sind.
  17. Optoelektronisches Halbleiterkonverterelement (20) nach Anspruch 16, bei dem die poröse GaN-Schicht (210) jeweils unterschiedliche Bereiche aufweist, in denen jeweils unterschiedliche Quantendots angeordnet sind.
  18. Halbleiterlaser (30) mit: einer Halbleiterschichtanordnung (112), die eine aktive Zone (115) zur Strahlungserzeugung aufweist, einem ersten Resonatorspiegel (125), einem zweiten Resonatorspiegel (130) und einem zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel (125, 130) angeordneten optischen Resonator (105), der sich in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptoberfläche (101) der Halbleiterschichtanordnung (112) erstreckt, einem GaN-Substrat (200); einer porösen GaN-Schicht (210), die über dem GaN-Substrat (200) angeordnet ist, und Quantendots, die in Poren der porösen GaN-Schicht (210) eingelagert sind, wobei die in den Poren der porösen GaN-Schicht eingelagerten Quantendots ein Konverterelement (20) darstellen.
  19. Halbleiterlaser (30) nach Anspruch 18, wobei die Halbleiterschichtanordnung (112) GaN enthält.
  20. Halbleiterlaseranordnung (30) mit mehreren Laserelementen, die jeweils: eine Halbleiterschichtanordnung (112), die eine aktive Zone (115) zur Strahlungserzeugung aufweist, einen ersten Resonatorspiegel (125), einen zweiten Resonatorspiegel (130) und einen zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel (125, 130) angeordneten optischen Resonator (105), der sich in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptoberfläche (101) der Halbleiterschichtanordnung (112) erstreckt, umfassen, ferner mit einem GaN-Substrat (200); einer porösen GaN-Schicht (210), die über dem GaN-Substrat (200) angeordnet ist, und Quantendots, die in Poren der porösen GaN-Schicht eingelagert sind, wobei die in den Poren der porösen GaN-Schicht eingelagerten Quantendots jeweils Konverterelemente darstellen.
  21. Halbleiterlaseranordnung (30) nach Anspruch 20, bei der jeweils unterschiedliche Konverterelementbereiche (2251, 2252) unterschiedlichen Laserelementen zugeordnet sind.
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