DE102021117534A1 - Oberflächenemittierender halbleiterlaser und verfahren zur herstellung eines oberflächenemittierenden halbleiterlasers - Google Patents

Oberflächenemittierender halbleiterlaser und verfahren zur herstellung eines oberflächenemittierenden halbleiterlasers Download PDF

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Abstract

Ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) umfasst eine erste Halbleiterschicht (110) eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei die erste Halbleiterschicht (110) unter Ausbildung einer Mesa (123) strukturiert ist, eine aktive Zone (115) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (15) sowie eine zweite Halbleiterschicht (120) eines zweiten Leitfähigkeitstyps. Die erste Halbleiterschicht (110), die aktive Zone (115) und die zweite Halbleiterschicht (120) sind unter Ausbildung eines Halbleiterschichtstapels (121) übereinander gestapelt. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser umfasst weiterhin eine Mantelschicht (125), die an eine Seitenwand (122) der Mesa (123) angrenzt.

Description

  • Oberflächenemittierende Halbleiterlaser, d.h. Laservorrichtungen, in denen das erzeugte Laserlicht senkrecht zu einer Oberfläche einer Halbleiterschichtanordnung emittiert wird, können beispielsweise in 3D-Sensorsystemen, beispielsweise zur Gesichtserkennung oder zur Abstandsmessung beim autonomen Fahren verwendet werden. Weiterhin sind sie in zahlreichen Consumerprodukten, beispielsweise Anzeigevorrichtungen einsetzbar.
  • Generell werden Anstrengungen unternommen, derartige oberflächenemittierende Laser zu verbessern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser sowie ein verbessertes Verfahren zur Verfügung zu stellen.
  • Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser umfasst eine erste Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei die erste Halbleiterschicht unter Ausbildung einer Mesa strukturiert ist, eine aktive Zone zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung und eine zweite Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps. Die erste Halbleiterschicht, die aktive Zone und die zweite Halbleiterschicht sind unter Ausbildung eines Halbleiterschichtstapels übereinander gestapelt. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser umfasst weiterhin eine Mantelschicht, die an eine Seitenwand der Mesa angrenzt.
  • Beispielsweise können die erste und die zweite Halbleiterschicht AlxGayIn1-x-yN mit 0≤x<1, 0<y≤1 enthalten. Insbesondere können die erste und die zweite Halbleiterschicht GaN-Schichten sein.
  • Beispielsweise kann ein Material der Mantelschicht derart ausgewählt sein, dass ein Brechungsindex des Materials der Mantelschicht kleiner als der Brechungsindex der ersten Halbleiterschicht ist. Auf diese Weise wird ein integrierter Wellenleiter bereitgestellt.
  • Ein Material der Mantelschicht kann AlN umfassen.
  • Gemäß Ausführungsformen kann ein Durchmesser der Mesa kleiner als 10 pm sein. Auf diese Weise können sich nur die Grundmode oder nur wenige Moden höherer Ordnung ausbilden. Als Ergebnis können optische Verluste verringert werden. Gemäß Ausführungsformen kann der Durchmesser der Mesa exakt so bemessen werden, dass sich nur eine Grundmode ausbildet. Auf diese Weise können maßgeschneiderte und reproduzierbare Abstrahlcharakteristiken erzeugt werden.
  • Gemäß Ausführungsformen kann der gesamte Halbleiterschichtstapel zu einer Mesa strukturiert sein.
  • Beispielsweise kann ein Material der Mantelschicht derart ausgewählt sein, dass ein Absorptionskoeffizient des Materials der Mantelschicht kleiner als der Absorptionskoeffizient der ersten Halbleiterschicht ist. Auf diese Weise können Verluste weiter reduziert werden.
  • Gemäß Ausführungsformen kann der oberflächenemittierende Halbleiterlaser ferner einen ersten und einen zweiten Resonatorspiegel aufweisen. Entsprechend kann sich ein vertikaler Resonator ausbilden. Der erste Resonatorspiegel kann auf einer Seite der ersten Halbleiterschicht und der zweite Resonatorspiegel auf einer Seite der zweiten Halbleiterschicht angeordnet sein. Gemäß Ausführungsformen können der erste und der zweite Resonatorspiegel isolierend sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auch einer der beiden Resonatorspiegel isolierend sein, und der andere der zwei Resonatorspiegel ist elektrisch leitfähig.
  • Beispielsweise ist der Halbleiterschichtstapel über einem Wachstumssubstrat zum Aufwachsen der ersten und zweiten Halbleiterschicht angeordnet.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Halbleiterschichtstapel auch über einem metallischen Träger angeordnet sein.
  • Der oberflächenemittierender Halbleiterlaser kann weiterhin eine Aperturblende zur Stromführung aufweisen, wobei ein Öffnungsdurchmesser der Aperturblende kleiner als ein Durchmesser der Mesa ist.
  • Beispielsweise hat die Mesa in einer horizontalen Ebene eine hexagonale Form.
  • Gemäß Ausführungsformen entspricht eine Seitenwand der Mesa einer Kristallfläche des Materials der ersten Halbleiterschicht. Auf diese Weise kann eine besonders glatte und defektarme Seitenwand realisiert werden, wodurch Verluste weiter verringert werden.
  • Gemäß Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierender Halbleiterlaser das Ausbilden einer ersten Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, das Ausbilden einer aktiven Zone zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung und das Ausbilden einer zweiten Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps. Dabei werden die erste Halbleiterschicht, die aktive Zone und die zweite Halbleiterschicht unter Ausbildung eines Halbleiterschichtstapels übereinander gestapelt. Das Verfahren umfasst weiterhin das Strukturieren der ersten Halbleiterschicht unter Ausbildung einer Mesa und das Ausbilden einer Mantelschicht, die an eine Seitenwand der Mesa angrenzt.
  • Beispielsweise kann die Mantelschicht durch Sputtern über der Seitenwand der Mesa aufgebracht werden. Das Verfahren kann weiterhin einen Temperaturbehandlungsschritt bei einer Temperatur von mindestens 800°C beinhalten.
  • Beispielsweise kann das Strukturieren der ersten Halbleiterschicht ein Nassätzverfahren umfassen.
  • Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement umfasst den oberflächenemittierenden Halbleiterlaser wie vorstehend beschrieben. Das optoelektronisches Halbleiterbauelement kann beispielsweise aus einer Beleuchtungsvorrichtung, einer Projektionsvorrichtung oder einer Anzeigevorrichtung ausgewählt sein.
  • Figurenliste
  • Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Beschreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittelbar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechende Elemente und Strukturen.
    • 1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß Ausführungsformen.
    • 1B zeigt einen schematischen Verlauf des Brechungsindex der verwendeten Halbleitermaterialien gemäß Ausführungsformen.
    • 1C zeigt eine Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen.
    • Die 2A bis 2C zeigen schematische Querschnittsansichten weiterer oberflächenemittierender Halbleiterlaser gemäß Ausführungsformen.
    • 3A zeigt schematische horizontale Querschnittsansichten einer Mesa gemäß Ausführungsformen.
    • 3B zeigt eine schematische vertikale Querschnittsansicht von Komponenten des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß Ausführungsformen.
    • 4A veranschaulicht Schritte zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß Ausführungsformen.
    • 4B zeigt ein Werkstück bei Durchführung eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen.
    • 4C zeigt das Werkstück nach Durchführung weiterer Bearbeitungsschritte.
    • 5 fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.
    • 6 zeigt ein optoelektronisches Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsformen.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie „Oberseite“, „Boden“, „Vorderseite“, „Rückseite“, „über“, „auf“, „vor“, „hinter“, „vorne“, „hinten“ usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Figuren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
  • Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschränkend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Bereich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
  • Die Begriffe „Wafer“ oder „Halbleitersubstrat“, die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisunterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermaterial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleitermaterial, beispielsweise einem GaAs-Substrat, einem GaN-Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein.
  • Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, Al-GaInBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga203, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter“ auch organische Halbleitermaterialien ein.
  • Der Begriff „Substrat“ umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
  • Die Begriffe „lateral“ und „horizontal“, wie in dieser Beschreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrichtung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder eines Chips (Die) sein.
  • Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
  • Der Begriff „vertikal“, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann beispielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
  • Soweit hier die Begriffe „haben“, „enthalten“, „umfassen“, „aufweisen“ und dergleichen verwendet werden, handelt es sich um offene Begriffe, die auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, das Vorhandensein von weiteren Elementen oder Merkmalen aber nicht ausschließen. Die unbestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
  • Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden“ eine niederohmige elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch verbundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.
  • Der Begriff „elektrisch verbunden“ umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen.
  • 1A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 10 gemäß Ausführungsformen. Der in 1A gezeigte oberflächenemittierende Halbleiterlaser umfasst eine erste Halbleiterschicht 110 eines ersten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise p-leitend, eine aktive Zone 115 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung und eine zweite Halbleiterschicht 120 eines zweiten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise n-leitend. Die erste Halbleiterschicht 110, die aktive Zone 115 und die zweite Halbleiterschicht 120 sind unter Ausbildung eines Halbleiterschichtstapels 121 übereinander gestapelt. Die erste Halbleiterschicht 110 ist zu einer Mesa 123 strukturiert. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser 10 weist ferner eine Mantelschicht 125 auf, die an eine Seitenwand 122 der Mesa 123 angrenzt.
  • Die aktive Zone 115 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.
  • Beispielsweise umfassen die erste und die zweite Halbleiterschicht GaN. Die erste und die zweite Halbleiterschicht können zum Beispiel die Zusammensetzung AlxGayIn1-x-yN haben mit 0≤x<1, 0<y≤1. Auf diese Weise ist es möglich, Laserstrahlung mit kleinen Wellenlängen zu emittieren.
  • Beispielsweise hat die Mantelschicht 125 einen Brechungsindex, der kleiner als der Brechungsindex der ersten und der zweiten Halbleiterschicht ist. Der Brechungsindex von GaN ist beispielsweise 2,46. Entsprechend wird bei Verwendung von GaN-Halbleiterschichten gemäß Ausführungsformen der Brechungsindex der Mantelschicht 125 kleiner als 2,46 gewählt. Beispielsweise kann die Mantelschicht AlN mit einem Brechungsindex von ungefähr 2,2 umfassen. Auf diese Weise ist es möglich, Verluste, die im GaN-Materialsystem problematisch sein könnten, zu begrenzen. Als Folge wird die Photonendichte innerhalb der Mesa erhöht. Insbesondere wird aufgrund der Anwesenheit der Mantelschicht 125 ein Wellenleitereffekt erzielt, der auch unterhalb der Laserschwelle bereits zu einer verbesserten Photonendichte führt. Auf diese Weise wird ermöglicht, die Laserschwelle zu verringern.
  • Beispielsweise ist ein Durchmesser w der Mesa 123 so bemessen, dass sich typischerweise nur die Grundmode, beispielsweise eine Gauss-Mode ausbildet. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist es möglich, dass sich noch wenige weitere Moden höherer Ordnung ausprägen. Auf diese Weise können die Photonen sich noch stärker innerhalb der Mesa konzentrieren. Wird der Durchmesser w der Mesa 123 exakt definiert, so dass sich nur die Grundmode ausprägen kann, so wird eine definierte Beamwaist bzw. Strahltaille erzeugt. Auf diese Weise werden maßgeschneiderte und reproduzierbare Abstrahlcharakteristiken ermöglicht. Beispielsweise kann der Durchmesser w der Mesa 123 kleiner als 10 pm oder kleiner als 5 pm sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Durchmesser w der Mesa 123 sogar kleiner als 2 pm oder kleiner als 1 pm sein.
  • 1A zeigt weiterhin die Strahlungsintensität 105 innerhalb der Mesa 123. Wenn sich nur eine Grundmode ausbildet, so findet eine maximale Photonenkonzentration im mittleren Bereich der Mesa 123 statt, wodurch Verluste innerhalb des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers vermieden werden können. Insbesondere wird eine räumliche Aufweitung der Moden verringert. Als Ergebnis werden optische Verluste reduziert. Optische Verluste aufgrund von Modenaufweitung könnten insbesondere in oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit Resonatorspiegeln mit hoher Spiegelreflektivität zu Problemen führen.
  • Beispielsweise kann ein Absorptionskoeffizient α der Mantelschicht 125 kleiner als der Absorptionskoeffizient der ersten und der zweiten Halbleiterschicht sein. Auf diese Weise können Verluste in dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser weiter verringert werden.
  • Gemäß Ausführungsformen kann der oberflächenemittierende Halbleiterlaser ferner eine Aperturblende 139 zur Stromführung aufweisen. Die Aperturblende 139 kann beispielsweise durch eine SiO-Schicht oder oxidiertes, isolierendes Halbleitermaterial realisiert sein. Dabei kann ein Öffnungsdurchmesser s der Aperturblende 139 kleiner als ein Durchmesser w der Mesa 123 sein. Auf diese Weise wird eine besonders günstige Überlappung von optischer Mode und Ladungsträgerdichte erreicht werden. Weiterhin können Ladungsträger - aufgrund ihrer verringerten Drift - effektiv von der Mesakante ferngehalten werden. Hierdurch werden unerwünschte Rekombinationen, die mit Verlusten einhergehen, vermieden.
  • Durch Auswahl eines Materials der Mantelschicht mit geringem Absorptionskoeffizienten können Absorptionsverluste der lateralen evaneszenten Felder in der ersten und zweiten Halbleiterschicht verringert werden.
  • Weiterhin ist es möglich, bei Verwendung eines Materials der Mantelschicht 125 mit höherem Wärmeleitungskoeffizienten als dem Wärmeleitungskoeffizienten der Halbleiterschichten die laterale Wärmeabfuhr des Bauelements zu verbessern.
  • Der oberflächenemittierende Halbleiterlaser 10 kann beispielsweise als VCSEL („Vertical Cavity Surface Emitting Laser“, oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator) ausgebildet sein. Beispielsweise weist er einen ersten Resonatorspiegel 130 und einen zweiten Resonatorspiegel 135 auf. Auf diese Weise bildet sich ein optischer Resonator 124 zwischen dem ersten Resonatorspiegel 130 und dem zweiten Resonatorspiegel 135 aus.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der oberflächenemittierende Halbleiterlaser 10 auch als PCSEL („Photonic Crystal Surface Emitting Laser“, oberflächenemittierender Laser mit photonischem Kristall) ausgebildet sein. In diesem Fall weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser 10 eine geordnete photonische Struktur auf.
  • Bei Ausführung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 10 als VCSEL können der erste und der zweite Resonatorspiegel 130, 135 beispielsweise als Bragg-Spiegel ausgebildet sein.
  • Ein Bragg-Spiegel umfasst eine Abfolge von sehr dünnen dielektrischen oder Halbleiterschichten mit jeweils unterschiedlichen Brechungsindizes. Beispielsweise können die Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex und einen niedrigen Brechungsindex haben. 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. Aufgrund der geringen Schichtdicke und des Unterschieds der jeweiligen Brechungsindizes stellt der Bragg-Spiegel ein hohes Reflexionsvermögen bereit. Ein Bragg-Spiegel kann beispielsweise 2 bis 50 Schichten 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.
  • Der ersten Resonatorspiegel 130 kann beispielsweise Halbleiter- oder dielektrische Schichten aufweisen. Der zweite Resonatorspiegel 135 kann beispielsweise Halbleiterschichten aufweisen, die epitaktisch aufgewachsen sein können. Beispielsweise können die Schichten des zweiten Resonatorspiegels 135 und der Halbleiterschichtstapel 121 epitaktisch über einem Wachstumssubstrat ausgebildet sein. Das in 1A dargestellte Substrat 100 kann beispielsweise ein Wachstumssubstrat oder ein von einem Wachstumssubstrat verschiedenes Substrat sein.
  • Die erste Halbleiterschicht 110 kann beispielsweise über ein erstes Kontaktelement 131 elektrisch anschließbar sein. Das erste Kontaktelement 131 kann beispielsweise über eine leitende Schicht 112, beispielsweise eine ITO-Schicht („Indium tin oxide“, Indiumzinnoxid) mit der ersten Halbleiterschicht 110 verbunden sein. In 1A ist das zweite Kontaktelement 132 über den zweiten Resonatorspiegel 135 mit der zweiten Halbleiterschicht 120 elektrisch verbunden. Gemäß weiteren Ausführungsformen können für die erste Halbleiterschicht 110 und für die zweite Halbleiterschicht 120 auch alternative Anschlussmöglichkeiten realisiert sein.
  • Erzeugte Laserstrahlung 15 kann beispielsweise über die erste Hauptoberfläche 111 der ersten Halbleiterschicht 110 ausgegeben werden.
  • 1B zeigt schematisch den Verlauf des Brechungsindex N innerhalb der Mesa 123 und der Mantelschicht 125. Dadurch dass der Brechungsindex des Materials der Mantelschicht 125 kleiner als der Brechungsindex der Halbleiterschicht bzw. innerhalb der Mesa 123 ist, findet eine optische Führung der erzeugten elektromagnetischen Wellen statt.
  • 1C zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen. Die einzelnen Komponenten des dargestellten oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 10 entsprechen im Wesentlichen denen, die unter Bezugnahme auf 1A beschrieben worden sind. Abweichend zu dem Halbleiterlaser von 1A ist hier jedoch der zweite Resonatorspiegel elektrisch isolierend und enthält dielektrische Schichten. Entsprechend kann die zweite Halbleiterschicht 120 über ein zweites Kontaktelement 132, das direkt an die zweite Halbleiterschicht 120 angrenzt, elektrisch anschließbar sein. Beispielsweise können bei Verwendung dielektrischer Schichten größere Unterschiede der Brechungsindizes hervorgerufen werden, wodurch ein größeres Reflexionsvermögen bewirkt wird.
  • 2A zeigt eine schematische Ansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. In 2A dargestellten Komponenten entsprechen im Wesentlichen denen, die unter Bezugnahme auf die 1A und 1C diskutiert worden sind. Abweichend hierzu grenzt lediglich die erste Halbleiterschicht 110 an die Mantelschicht 125 an. Entsprechend ist möglich, dass nur ein Teil des Halbleiterschichtstapels 121 als Wellenleiter ausgeführt ist. Der untere Teil des Halbleiterschichtstapels 121 kann ebenfalls zu einer Mesa strukturiert sein, allerdings grenzt in einem unteren Bereich die Mantelschicht 125 nicht an die zweite Halbleiterschicht 120 an. Somit ist möglich, dass im unteren Teil kein Wellenleiter ausgebildet ist.
  • Wie in 2A dargestellt ist, kann die Mantelschicht 125 an eine Seitenwand der ersten Halbleiterschicht 110 angrenzen. Die Mantelschicht 125 grenzt jedoch nicht an eine Seitenwand der aktiven Zone 115 an. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Mantelschicht auch an einer Seitenwand der aktiven Zone 115 angrenzen. Weiterhin kann sie auch an einen Teil der zweiten Halbleiterschicht 120 angrenzen.
  • 2B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen. Komponenten, die in 2B dargestellt sind, entsprechen im Wesentlichen Komponenten, die unter Bezugnahme auf die 1A bis 1C und 2A beschrieben worden sind. Abweichend hierzu, ist jedoch das Substrat 100 nicht das Wachstumssubstrat zum Aufwachsen des Halbleiterschichtstapels 121. Beispielsweise kann gemäß Ausführungsformen, die in 2B gezeigt sind, der zweite Resonatorspiegel 135 dielektrische Schichten enthalten. Der zweite Resonatorspiegel 135 kann in einem Träger 137 mit beispielsweise einer guten Wärmekopplung eingebettet sein. Beispielsweise kann der Träger 137 auch ein hohes Reflexionsvermögen aufweisen. Der Träger 137 kann beispielsweise ein Metall, beispielsweise Gold, Silber oder Aluminium enthalten oder aus diesen aufgebaut sein. Auf diese Weise kann erzeugte elektromagnetische Strahlung zu einem hohen Anteil zurück in den Halbleiterschichtstapel 121 reflektiert werden. Weiterhin kann eine gute Wärmekopplung erreicht werden. Das zweite Kontaktelement 132 kann beispielsweise an einer zweiten Hauptoberfläche 101 des Substrats 100 angeordnet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das zweite Kontaktelement 132 auch an eine freie Oberfläche der Verbindungsschicht 126 angrenzen. Die Verbindungsschicht 126 kann beispielsweise ein transparentes leitfähiges Oxid, beispielsweise ITO oder auch ein Halbleitermaterial sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Verbindungsschicht 126 auch weggelassen werden.
  • Wie weiterhin in 2B veranschaulicht ist, kann die Mantelschicht 125 an die erste Halbleiterschicht 110, die aktive Zone 125 sowie einen Teil der zweiten Halbleiterschicht 120 angrenzen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Mantelschicht 125 aber auch in anderer Weise wie zuvor beschrieben realisiert sein.
  • Zur Herstellung des in 2B dargestellten oberflächenemittierenden Halbleiterlasers werden die Halbleiterschichten zur Ausbildung des Halbleiterschichtstapels 121 auf einem Wachstumssubstrat aufgewachsen, anschließend abgelöst und auf den Träger 137, in oder auf dem der zweite Resonatorspiegel 135 ausgebildet ist, aufgebracht oder übertragen. Der Träger 137 kann beispielsweise über einem Substrat 100 aufgebracht sein.
  • 2C zeigt einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. Komponenten des in 2C dargestellten oberflächenemittierenden Halbleiterlasers entsprechen im Wesentlichen denen, die unter Bezugnahme auf 1A beschrieben worden sind. Abweichend hiervon umfasst jedoch der Halbleiterschichtstapel 121 eine Vielzahl von Schichten zur Ausbildung von mehreren Halbleiterlaserelementen 11. Diese sind jeweils in vertikaler Richtung übereinander gestapelt und jeweils über Tunnelübergänge 136 miteinander verbunden.
  • Ein Tunnelübergang umfasst eine p++-dotierte Schicht, eine n++-dotierte Schicht sowie optional eine Zwischenschicht, die in Sperrrichtung angeordnet sind und eine Tunneldiode darstellen.
  • Beispielsweise kann auch jeweils eine Aperturblende 139 zur Stromführung vorgesehen sein. Der Durchmesser der Aperturblenden 139 kann variieren. Der Halbleiterschichtstapel 121 ist zu einer Mesa 123 strukturiert. Die Weite w der Mesa 123 kann innerhalb des Halbleiterschichtstapels variieren. Eine Mantelschicht 125 grenzt an eine Seitenwand 122 der Mesa 123 an. Gemäß Ausführungsformen kann die Mantelschicht auch nur an einen Teil des Halbleiterschichtstapels 121 angrenzen.
  • Wie in 3A dargestellt ist, kann die Mesa 123 mit unterschiedlichen Formen ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Mesa in Draufsicht, d.h. in der horizontalen x-y-Ebene kreisförmig oder elliptisch ausgebildet sein. Beispielsweise kann bei einer elliptischen Ausführung der Mesa 123 auch die Polarisation der erzeugten Elektromagnetischen Strahlung eingestellt werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Mesa auch die Form eines Mehrecks, beispielsweise eines Sechsecks (Hexagon) haben. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Mesa auch die Form eines langgezogenen Sechsecks haben, wodurch die Polarisation der erzeugten elektromagnetischen Strahlung eingestellt werden kann. Gemäß Ausführungsformen können die Seitenwände 122 der hexagonalen Strukturen der kristallographischen m-Ebene entsprechen. Das heißt, die Seitenwand 122 der Mesa 123 kann entlang von Kristallachsen des Halbleitermaterials verlaufen. Auf diese Weise kann eine sehr glatte Mesakante erzeugt werden, wodurch Streuverluste innerhalb des Halbleiterschichtstapels verringert werden.
  • 3B zeigt eine schematische vertikale Querschnittsansicht von Teilen des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers. Wie im linken Teil der 3B dargestellt ist, kann die Seitenwand 122 der Mesa 123 entlang der Z-Richtung verlaufen. Gemäß weiteren Ausführungsformen, die beispielsweise im rechten Teil der 3B dargestellt sind, kann die Seitenwand 122 der Mesa 123 auch schräg verlaufen, d.h. entlang einer Richtung, die die vertikale oder z-Achse schneidet aber nicht parallel zu dieser ist. In der x-y-Ebene kann die Mesa eine beliebige Form haben, beispielsweise eine, die unter Bezugnahme auf 3A beschrieben worden ist.
  • Zur Herstellung der Mesa kann beispielsweise eine Ätzmaske 140 über dem Halbleiterschichtstapel 121 ausgebildet werden. Beispielsweise kann, wie im linksseitigen Teil der 4A dargestellt, die Ätzmaske 140 einen kreisförmigen Querschnitt 141 haben. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Ätzmaske, wie im rechtsseitigen Teil der 4A dargestellt ist, auch einen hexagonalen Querschnitt 141 haben. Sodann wird beispielsweise ein Nassätzverfahren, beispielsweise in basischer Chemie (KOH, TMAH, NH3, NaOH) durchgeführt. Auf diese Weise kann beispielsweise ein kristallographisches Ätzen entlang der m-Ebene des GaN-Kristalls durchgeführt werden, was zu sehr glatten, defektarmen oder -freien Flanken führt. Weiterhin werden Belichtungsfehler ausgeglichen, da die grundlegenden Symmetrieeigenschaften des Kristalls präpariert werden. Durch ein geeignetes Modifizieren der Bedingungen ist es auch möglich, eine runde oder elliptische Ätzform zu erzielen. Der untere Teil der 4A zeigt einen entsprechend strukturierten Halbleiterstapel 121.
  • 4B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Werkstücks 20 nach Durchführung des Ätzverfahrens. Wie zu sehen ist, ist die Mesa 123 entsprechend der Form der Ätzmaske strukturiert. Beispielsweise können anschließend die Flanken der Mesa gereinigt werden. Sodann kann die Mantelschicht 125 auf der Seitenwand der Mesa 123 abgeschieden werden.
  • 4C zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Werkstücks 20 mit abgeschiedener Mantelschicht 125. Beispielsweise kann das Material der Mantelschicht 125 durch Sputtern ausgebildet werden. Um die Kristallinität der Mantelschicht 125 zu erhöhen, kann beispielsweise anschließend eine Temperaturbehandlung bei hohen Temperaturen, beispielsweise bei Temperaturen bis 800°C durchgeführt werden. Dies kann auch durch eine Laserspike-Temperaturbehandlung implementiert werden.
  • Alternative oder zusätzliche Materialien der Mantelschicht können SiO, SiN, TaO, NbO, CaF, MgF2, AlO, undotiertes GaN oder AlInN umfassen. Gemäß Ausführungsformen wird das Material der Mantelschicht derart ausgewählt, dass der Wärmeleitungskoeffizient besonders groß ist, so dass bestehende Wärme effizient abgeführt werden kann. Beispielsweise kann der Wärmeleitungskoeffizient der Mantelschicht größer als der der ersten und zweiten Halbleiterschicht sowie der aktiven Zone sein.
  • 5 fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen. Ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierender Halbleiterlaser umfasst das Ausbilden (S100) einer ersten Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, das Ausbilden (S110) einer aktiven Zone zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung und das Ausbilden (S120) einer zweiten Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei die erste Halbleiterschicht, die aktive Zone und die zweite Halbleiterschicht unter Ausbildung eines Halbleiterschichtstapels übereinander gestapelt werden. Die erste Halbleiterschicht wird unter Ausbildung einer Mesa strukturiert (S130). Das Verfahren umfasst ferner das Ausbilden (S140) einer Mantelschicht, die an eine Seitenwand der Mesa angrenzt.
  • Gemäß Ausführungsformen können die hier beschriebenen Konzepte weiter erweitert werden. Beispielsweise können die einzelnen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelemente auch als Array, beispielsweise als mehrere Einzelemitter auf einem Chip, realisiert werden. Weiterhin kann das System so ausgelegt sein, dass die Lichtauskopplung auch durch das Substrat, d.h. über die zweite Hauptoberfläche 101 des Substrats erfolgt.
  • 6 zeigt ein optoelektronisches Halbleiterbauelement 30 gemäß Ausführungsformen. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 30 ist aus einer Beleuchtungsvorrichtung, einer Projektionsvorrichtung oder einer Anzeigevorrichtung ausgewählt. Aufgrund der verringerten optischen Verluste kann eine höhere Effizienz und infolgedessen auch eine höhere Leuchtdichte des optoelektronischen Halbleiterbauelements 30 erzielt werden.
  • Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    oberflächenemittierender Halbleiterlaser
    11
    oberflächenemittierendes Halbleiterlaserelement
    15
    emittierte Laserstrahlung
    20
    Werkstück
    30
    optoelektronisches Halbleiterbauelement
    100
    Substrat
    101
    zweite Hauptoberfläche des Substrats
    105
    Intensität
    110
    erste Halbleiterschicht
    111
    erste Hauptoberfläche der ersten Halbleiterschicht
    112
    leitende Schicht
    115
    aktive Zone
    120
    zweite Halbleiterschicht
    121
    Halbleiterschichtstapel
    122
    Seitenwand der Mesa
    123
    Mesa
    124
    Resonator
    125
    Mantelschicht
    126
    Verbindungsschicht
    130
    erster Resonatorspiegel
    131
    erstes Kontaktelement
    132
    zweites Kontaktelement
    135
    zweiter Resonatorspiegel
    136
    Tunnelübergangsschicht
    137
    metallischer Träger
    139
    Aperturblende
    140
    Ätzmaske
    141
    Querschnitt der Ätzmaske

Claims (21)

  1. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10), umfassend: eine erste Halbleiterschicht (110) eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei die erste Halbleiterschicht (110) unter Ausbildung einer Mesa (123) strukturiert ist, eine aktive Zone (115) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (15), eine zweite Halbleiterschicht (120) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei die erste Halbleiterschicht (110), die aktive Zone (115) und die zweite Halbleiterschicht (120) unter Ausbildung eines Halbleiterschichtstapels (121) übereinander gestapelt sind, und eine Mantelschicht (125), die an eine Seitenwand (122) der Mesa (123) angrenzt.
  2. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Halbleiterschicht (110, 120) AlxGayIn1-x-yN mit 0≤x<1, 0<y≤1 enthalten.
  3. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 2, wobei die erste und die zweite Halbleiterschicht (110, 120) GaN-Schichten sind.
  4. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Material der Mantelschicht (125) derart ausgewählt ist, dass ein Brechungsindex des Materials der Mantelschicht (125) kleiner als der Brechungsindex der ersten Halbleiterschicht (110) ist.
  5. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Material der Mantelschicht (125) AlN umfasst.
  6. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Durchmesser der Mesa (123) kleiner als 10 µm ist.
  7. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterschichtstapel (121) zu einer Mesa (123) strukturiert ist.
  8. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Material der Mantelschicht (125) derart ausgewählt ist, dass ein Absorptionskoeffizient des Materials der Mantelschicht (125) kleiner als der Absorptionskoeffizient der ersten Halbleiterschicht (110) ist.
  9. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem ersten und einem zweiten Resonatorspiegel (130, 135), wobei der erste Resonatorspiegel (130) auf einer Seite der ersten Halbleiterschicht (110) und der zweite Resonatorspiegel (135) auf einer Seite der zweiten Halbleiterschicht (120) angeordnet ist und der erste und der zweite Resonatorspiegel (130, 135) isolierend sind.
  10. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit einem ersten und einem zweiten Resonatorspiegel (130, 135), wobei der erste Resonatorspiegel (130) auf einer Seite der ersten Halbleiterschicht (110) und der zweite Resonatorspiegel (135) auf einer Seite der zweiten Halbleiterschicht (120) angeordnet ist und einer der zwei Resonatorspiegel isolierend ist und der andere der zwei Resonatorspiegel elektrisch leitfähig ist.
  11. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterschichtstapel (121) über einem Wachstumssubstrat zum Aufwachsen der ersten und zweiten Halbleiterschicht (110, 120) angeordnet ist.
  12. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Halbleiterschichtstapel (121) über einem metallischen Träger (137) angeordnet ist.
  13. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Aperturblende (139) zur Stromführung, wobei ein Öffnungsdurchmesser der Aperturblende (139) kleiner als ein Durchmesser der Mesa (123) ist.
  14. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mesa (123) in einer horizontalen Ebene eine hexagonale Form hat.
  15. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Seitenwand (122) der Mesa (123) einer Kristallfläche des Materials der ersten Halbleiterschicht (110) entspricht.
  16. Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierender Halbleiterlasers (10), umfassend: Ausbilden (S100) einer ersten Halbleiterschicht (110) eines ersten Leitfähigkeitstyps, Ausbilden (S110) einer aktiven Zone (115) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (15), Ausbilden (S120) einer zweiten Halbleiterschicht (120) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei die erste Halbleiterschicht (110), die aktive Zone (115) und die zweite Halbleiterschicht (120) unter Ausbildung eines Halbleiterschichtstapels (121) übereinander gestapelt werden, Strukturieren (S130) der ersten Halbleiterschicht (110) unter Ausbildung einer Mesa (123), und Ausbilden (S140) einer Mantelschicht (125), die an eine Seitenwand (122) der Mesa (123) angrenzt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Mantelschicht (125) durch Sputtern über der Seitenwand (122) der Mesa (123) aufgebracht wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, ferner mit einem Temperaturbehandlungsschritt bei einer Temperatur von mindestens 800°C.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Strukturieren der ersten Halbleiterschicht (110) ein Nassätzverfahren umfasst.
  20. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (30), welches den oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 umfasst.
  21. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (30) nach Anspruch 20, welches ausgewählt ist aus einer Beleuchtungsvorrichtung, einer Projektionsvorrichtung oder einer Anzeigevorrichtung.
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