DE102021128854A1

DE102021128854A1 - Oberflächenemittierender halbleiterlaser und verfahren zur herstellung eines oberflächenemittierenden halbleiterlasers

Info

Publication number: DE102021128854A1
Application number: DE102021128854.1A
Authority: DE
Inventors: Hubert Halbritter; Bruno Jentzsch; Adrian Stefan Avramescu; Laura Kreiner; Hans-Jürgen Lugauer; Lutz Höppel; Christoph Eichler
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-11-05
Filing date: 2021-11-05
Publication date: 2023-05-11
Also published as: WO2023078912A1

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser (100) eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer aktiven Schicht (10) zur Erzeugung einer Laserstrahlung, ein Trägersubstrat (2) auf einer Seite der Halbleiterschichtenfolge und eine optische Struktur (3) zur Beeinflussung mindestens eines Freiheitsgrades der Laserstrahlung auf. Das Trägersubstrat ist von einem Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge verschieden und das Aufwachssubstrat ist zumindest teilweise entfernt. Die optische Struktur weist einen in lateraler Richtung variierenden Brechungsindex für die Laserstrahlung auf.

Description

Es wird ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen verbesserten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, zum Beispiel einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit vorgegebenen Abstrahleigenschaften, bereitzustellen. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterlasers anzugeben.
Diese Aufgaben werden unter anderem durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren hervor.
Zunächst wird der oberflächenemittierende Halbleiterlaser angegeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser, im Folgenden auch einfach Halbleiterlaser genannt, eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht zur Erzeugung einer Laserstrahlung auf. Die Laserstrahlung entsteht in der aktiven Schicht insbesondere durch Rekombination von Elektronen und Löchern. Bei der Laserstrahlung kann es sich um Laserstrahlung im sichtbaren Bereich oder im UV-Bereich oder im IR-Bereich handeln.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert zum Beispiel auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mN, oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mP, oder um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial, wie Al_nIn_1-n-mGa_mAs oder Al_nIn_1-n-mGa_mAsP, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Die aktive Schicht der Halbleiterschichtenfolge beinhaltet insbesondere wenigstens einen pn-Übergang und/oder mindestens eine Quantentopfstruktur in Form eines einzelnen Quantentopfs, kurz SQW, oder in Form einer Multi-Quantentopfstruktur, kurz MQW. Zum Beispiel umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine, insbesondere genau eine, zusammenhängende, insbesondere einfach zusammenhängende, aktive Schicht.
Der Halbleiterlaser kann mehrere Pixel aufweisen, die zum Beispiel einzeln und unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Jedem Pixel kann eine wie zuvor beschriebene, zusammenhängende Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht eineindeutig zugeordnet sein. Die einzelnen Pixel mit der zugehörigen Halbleiterschichtenfolge können durch Segmentierung einer ursprünglich zusammenhängenden Halbleiterschichtenfolge erzeugt sein. Alle Pixel können auf demselben Trägersubstrat angeordnet sein.
Ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser, zum Beispiel VCSEL (von englisch vertical-cavity surface-emitting laser) oder PCSEL (von englisch Photonic Crystal Surface-Emitting Laser), emittiert die Laserstrahlung in Richtung quer oder senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht. Ein Halbleiterlaser wird auch als Laserdiode bezeichnet. Der Halbleiterlaser kann insbesondere ein Halbleiterchip sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterlaser ein Trägersubstrat auf einer Seite der Halbleiterschichtenfolge auf. Das Trägersubstrat ist insbesondere das die Halbleiterschichtenfolge tragenden Substrat. Das Trägersubstrat ist zum Beispiel selbsttragend. Es kann das Trägersubstrat das einzig selbsttragende Element des Halbleiterlasers sein.
Dass ein Element, zum Beispiel eine Schicht oder ein Substrat, „auf“ oder „über“ einem anderen Element angeordnet oder aufgebracht ist, kann hier und im Folgenden bedeuten, dass das eine Element unmittelbar, d.h. in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt, auf dem anderen Element angeordnet ist. Weiterhin kann es auch bedeuten, dass das Element mittelbar auf beziehungsweise über dem anderen Element angeordnet ist. Dabei können dann weitere Elemente, wie Schichten, zwischen dem einen und dem anderen Element angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterlaser eine optische Struktur zur Beeinflussung mindestens eines Freiheitsgrades der Laserstrahlung auf. Die Beeinflussung ist insbesondere gezielt bzw. vorgegeben. Das heißt, die optische Struktur ist bewusst ausgebildet, um die Laserstrahlung zu beeinflussen. Bei der optischen Struktur handelt es sich also bevorzugt nicht um eine zufällig entstandene Struktur.
Bei dem Freiheitsgrad der Laserstrahlung kann es sich um eine Strahlrichtung, zum Beispiel gemessen bezüglich der Normalen auf die Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht, handeln. Beispielsweise kann mittels der optischen Struktur der Winkel zwischen der Strahlrichtung und der Normalen eingestellt werden, zum Beispiel beliebig zwischen einschließlich 0° und einschließlich 60°. Der Freiheitsgrad der Laserstrahlung kann alternativ oder zusätzlich auch eine Wellenlänge der Laserstrahlung sein, so dass die optische Struktur einen Wellenlängenfilter bildet.
Beispielsweise ist die optische Struktur nahe zu der aktiven Schicht angeordnet, zum Beispiel mit einem Abstand zur aktiven Schicht, der höchstens 5 mal so groß oder höchstens doppelt so groß oder höchstens so groß oder höchstens halb so groß wie die Dicke der Halbleiterschichtenfolge ist. Die optische Struktur ist zum Beispiel zwischen der aktiven Schicht und einem elektrischen Kontaktelement des Halbleiterlasers angeordnet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Trägersubstrat von einem Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge verschieden. Das Aufwachssubstrat kann teilweise oder vollständig entfernt sein. Etwaige Reste des Aufwachssubstrats reichen beispielsweise nicht aus, um die Halbleiterschichtenfolge mechanisch zu stabilisieren. Ein etwaiger Rest des Aufwachssubstrats ist zum Beispiel nicht selbsttragend. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Halbleiterlaser um einen Dünnfilm-Halbleiterlaser.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die optische Struktur einen in lateraler Richtung, also parallel zur Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht und/oder parallel zur Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge, variierenden Brechungsindex für die Laserstrahlung auf. Die Variation in dem Brechungsindex ist vorgegeben bzw. gezielt ausgebildet.
Beispielsweise umfasst die optische Struktur eine Mehrzahl von Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex, wobei diese Bereiche lateral nebeneinander angeordnet sind. Zum Beispiel weist die optische Struktur zumindest zwei oder zumindest drei oder zumindest vier Bereiche auf, die paarweise verschiedene Brechungsindizes haben. Die Bereiche können lateral und/oder vertikal nebeneinander angeordnet sein. Diese Gruppe aus den nebeneinander angeordneten zumindest zwei oder zumindest drei oder zumindest vier Bereichen kann dann in lateraler Richtung mehrfach wiederholt hintereinander angeordnet sein. Die optische Struktur kann in lateraler Richtung eine periodische oder aperiodische Variation des Brechungsindex aufweisen. Die optische Struktur kann eindimensional, zweidimensional oder dreidimensional aufgebaut sein. D.h., der Brechungsindex kann in einer lateralen Richtung oder zwei orthogonalen lateralen Richtungen oder zwei orthogonalen lateralen Richtungen und einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht variieren, zum Beispiel periodisch variieren.
Zwei Bereiche von unterschiedlichem Brechungsindex unterscheiden sich hier und im Folgenden in ihrem Brechungsindex bevorzugt um zumindest 5 % oder zumindest 10 % oder zumindest 30 %. Der Brechungsindex bezieht sich hier und im Folgenden auf die Wellenlänge der Laserstrahlung.
In mindestens einer Ausführungsform weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht zur Erzeugung einer Laserstrahlung, ein Trägersubstrat auf einer Seite der Halbleiterschichtenfolge und eine optische Struktur zur Beeinflussung mindestens eines Freiheitsgrades der Laserstrahlung auf. Das Trägersubstrat ist von einem Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge verschieden und das Aufwachssubstrat ist zumindest teilweise entfernt. Die optische Struktur weist einen in lateraler Richtung variierenden Brechungsindex für die Laserstrahlung auf.
Die vorliegende Erfindung basiert unter anderem auf der Erkenntnis, dass, im Hinblick auf eine hohe Effizienz, bei oberflächenemittierenden Halbleiterlasern mit optischen Strukturen die optische Struktur möglichst nahe an der aktive Schicht gebildet werden sollte. Das Ausbilden der optischen Struktur zwischen dem Aufwachssubstrat und der aktive Schicht kann problematisch sein, da dann hohen Defektdichten in der nachfolgend produzierten aktiven Schicht entstehen können. Das Ausbildend der optischen Struktur an einer dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite der aktive Schicht (meist p-dotierter Bereich der Halbleiterschichtenfolge) kann ebenfalls zu vielen Defekten in der aktiven Schicht führen.
Die Erfinder hatten unter anderem die Idee, durch einen Dünnfilmprozess, bei dem das Aufwachssubstrat abgelöst und durch ein Trägersubstrat ersetzt wird, den ursprünglich zwischen dem Aufwachssubstrat und der aktiven Schicht angeordnete Halbleiterbereich zugänglich zu machen. An oder in diesem Bereich kann eine optische Struktur in unmittelbarer Nähe der aktiven Schicht erzeugt werden, ohne die Gefahr zu hoher Defektdichten in der aktiven Schicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die aktive Schicht zwischen dem Trägersubstrat und der optischen Struktur angeordnet. Beispielsweise ist Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge zwischen der optischen Struktur und der aktiven Schicht n-leitend. Alternativ kann die optische Struktur aber auch zwischen dem Trägersubstrat und der aktive Schicht angeordnet sein. Beispielsweise ist Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge zwischen der optischen Struktur und der aktiven Schicht dann p-leitend.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optische Struktur elektrisch leitfähiges Material, zum Beispiel Halbleitermaterial. Das elektrisch leitfähige Material der optischen Struktur kann im Betrieb des Halbleiterlasers Ladungsträger hin zur aktiven Schicht transportieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Betrieb Laserstrahlung über eine Strahlungsaustrittsfläche aus dem Halbleiterlaser ausgekoppelt. Über die Strahlungsaustrittsfläche werden beispielsweise zumindest 90 % oder zumindest 99 % der insgesamt aus dem Halbleiterlaser ausgekoppelten Strahlung ausgekoppelt. Die Halbleiterschichtenfolge mit der aktiven Schicht kann zwischen dem Trägersubstrat und der Strahlungsaustrittsfläche angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optische Struktur einen photonischen Kristall oder besteht daraus. Die Strukturabmessungen im photonischen Kristall sind beispielsweise gleich oder größer eines Viertels der Wellenlänge der Laserstrahlung. Der Halbleiterlaser ist zum Beispiel ein sogenannter oberflächenemittierende Photonische Kristall-Laser, oder PCSEL.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die optische Struktur zumindest teilweise durch das Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge gebildet. Die optische Struktur kann teilweise oder vollständig in der Halbleiterschichtenfolge gebildet bzw. in die Halbleiterschichtenfolge integriert sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die optische Struktur zumindest teilweise, also teilweise oder vollständig, durch transparentes leitfähiges Oxid, wie Indiumzinnoxid, kurz ITO, gebildet. Beispielsweise weist die optische Struktur dann in lateraler Richtung abwechselnd angeordnete Bereiche aus Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge und transparentem leitfähigen Oxid oder in lateraler Richtung abwechselnd angeordnete Bereiche aus unterschiedlichen, transparenten leitfähigen Oxiden auf. Zumindest einige Bereiche aus diesen unterschiedlichen Materialien liegen bevorzugt in einer Ebene, zum Beispiel einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht. Die unterschiedlichen Materialien haben bevorzugt unterschiedliche Brechungsindizes für die Laserstrahlung.
Im Folgenden wird transparentes, leitfähiges Oxid auch kurz als TCO bezeichnet, als Kurzform des Englische Begriffs transparent conducting oxide.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird das TCO zur Stromeinprägung in die Halbleiterschichtenfolge verwendet. Beispielsweise steht das TCO in unmittelbarem Kontakt mit der Halbleiterschichtenfolge. Im Betrieb werden beispielsweise, ausgehend von einem metallischen Kontaktelement, Ladungsträger in das TCO injiziert und von dort aus an die Halbleiterschichtenfolge weitergeleitet, wo sie dann innerhalb der aktiven Schicht rekombinieren. Das TCO kann zur Leitung von Elektronen und/oder Löcher eingesetzt sein.
Die aktive Schicht ist beispielsweise zwischen dem TCO und dem Trägersubstrat angeordnet. Alternativ kann das TCO zwischen dem Trägersubstrat und der aktiven Schicht angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die optische Struktur zumindest teilweise aus dielektrischem Material gebildet. Beispielsweise umfasst die optische Struktur Bereiche aus dielektrischem Material und Bereich aus Halbleitermaterial und/oder aus TCO, die in lateraler Richtung abwechselnd angeordnet sind. Zumindest einige Bereiche aus dielektrischem Material und zumindest einige Bereiche aus dem anderen Material liegen bevorzugt in einer Ebene, zum Beispiel einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht. Der Brechungsindex des dielektrischen Materials unterscheidet sich zum Beispiel von dem des Halbleitermaterials und/oder von dem des TCO. Das dielektrische Material kann SiO₂ sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die optische Struktur mehrere Hohlräume auf. Die Hohlräume können gasgefüllt sein. Die Hohlräume sind dabei beispielsweise in lateraler Richtung hintereinander angeordnet. Beispielsweise liegen mehrere Hohlräume in einer Ebene, zum Beispiel einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht. Die Bereiche zwischen den Hohlräumen weisen bevorzugt einen anderen Brechungsindex auf als die Hohlräume. Zum Beispiel sind die Bereiche dazwischen aus Halbleitermaterial und/oder dielektrischem Material und/oder TCO gebildet. Die Ausdehnung der Hohlräume beträgt bevorzugt jeweils zumindest λ/4, wobei λ die Wellenlänge der Laserstrahlung ist.
Die Hohlräume können vollständig in der Halbleiterschichtenfolge gebildet sein, also ausschließlich durch Halbleitermaterial begrenzt sein. Alternativ können die Hohlräume vollständig in TCO gebildet sein, also ausschließlich durch TCO begrenzt sein. Ebenso ist es möglich, dass die Hohlräume vollständig in dielektrischem Material gebildet sind, und entsprechend ausschließlich durch dielektrisches Material begrenzt sind. Es ist aber auch möglich, dass sich die Hohlräume über zumindest zwei Materialsysteme, beispielsweise Halbleitermaterial und TCO oder Halbleitermaterial und dielektrisches Material oder TCO und dielektrisches Material, erstrecken, und entsprechend von zumindest zwei dieser Materialsysteme begrenzt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist im Randbereich der Halbleiterschichtenfolge eine elektrisch isolierende Struktur zur Reduzierung einer Stromeinprägung in die Halbleiterschichtenfolge vorgesehen. Im Bereich der elektrisch isolierenden Struktur kann eine Erzeugung von Laserstrahlung zumindest unterdrückt sein, zum Beispiel vollständig unterdrückt sein. Die elektrisch isolierende Struktur definiert zum Beispiel eine Apertur. Die elektrisch isolierende Struktur begrenzt dann die Apertur, insbesondere in lateraler Richtung. Zum Beispiel wird nur im Bereich der Apertur Laserstrahlung erzeugt und/oder aus dem Halbleiterlaser ausgekoppelt. Die elektrisch isolierende Struktur ist zum Beispiel rings um die Apertur angeordnet. Eine laterale Ausdehnung der Apertur bzw. deren Durchmesser beträgt bevorzugt zumindest 10 nm oder zumindest 40 nm und/oder höchstens 200 nm und/oder höchstens 150 nm. Die Apertur kann kreisförmig sein.
Der Randbereich der Halbleiterschichtenfolge ist hier ein Bereich, der an Seitenflächen bzw. Mesakanten der Halbleiterschichtenfolge angrenzt.
Die elektrisch isolierende Struktur kann durch dielektrisches Material, zum Beispiel durch das gleiche dielektrische Material wie die optische Struktur, gebildet sein. Alternativ kann die elektrisch isolierende Struktur auch durch elektrisch inaktiviertes Halbleitermaterial gebildet sein, zum Beispiel durch plasmageätztes Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge. Die elektrisch isolierende Struktur kann auch durch ein Metalloxid gebildet sein, und durch Oxidation einer metallhaltigen Schicht in dem Halbleiterlaser erzeugt sein. Das Metall kann Aluminium sein. Die metallhaltige Schicht kann Teil der Halbleiterschichtenfolge und/oder des Bragg-Spiegels sein. Zum Beispiel ist die metallhaltige Schicht AlAs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die elektrisch isolierende Struktur bezüglich der aktiven Schicht auf gleicher Höhe wie die optische Struktur angeordnet. Das heißt, eine Ebene durch die elektrisch isolierende Struktur parallel zur Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht verläuft zumindest teilweise durch die optische Struktur bzw. dessen Bereiche von unterschiedlichen Brechungsindizes. Die vertikale Ausdehnung der elektrisch isolierenden Struktur, gemessen senkrecht zur Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht, kann im Wesentlich, zum Beispiel bis auf ± 5%, der vertikalen Ausdehnung der optischen Struktur entsprechen.
Die elektrische isolierende Struktur kann aber bezüglich der aktiven Schicht auch auf einer anderen Höhe als die optische Struktur, beispielsweise auf einer anderen Seite der aktiven Schicht als die optische Struktur, angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen dem Trägersubstrat und der aktiven Schicht ein Bragg-Spiegel angeordnet. Der Bragg-Spiegel umfasst mehrere übereinander angeordnete Schichten von unterschiedlichem Brechungsindex. Übereinander meint dabei nacheinander in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht. Der Bragg-Spiegel kann eine periodische Anordnung der Schichten aufweisen. Die Schichten des Bragg-Spiegels sind beispielsweise aus Halbleitermaterial gebildet. Dann ist der Bragg-Spiegel zum Beispiel Teil der Halbleiterschichtenfolge. Der Bragg-Spiegel kann zum Beispiel poröses Halbleitermaterial aufweisen, wie poröses GaN. Alternativ können die Schichten des Bragg-Spiegels aus dielektrischem Material gebildet sein. Bei dem Bragg-Spiegel handelt es sich dann insbesondere um einen dielektrischen Spiegel.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die Halbleiterschichtenfolge auf Al_nIn_1-n-mGa_mN oder Al_nIn_1-n-mGa_mAs mit 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge zwischen der aktiven Schicht und dem Trägersubstrat eine p-leitende Schicht auf oder ist in diesem Bereich vollständig p-leitend gebildet. Auf der anderen Seite der aktive Schicht kann die Halbleiterschichtenfolge entsprechend eine n-leitende Schicht aufweisen oder dort vollständig n-leiten gebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Trägersubstrat eines oder mehrerer der folgende Materialien auf oder besteht daraus: Si, Ge, Keramik, AlN, SiC, Saphir.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Halbleiterlaser neben der optischen Struktur eine weitere optische Struktur auf. Die weitere optische Struktur weist beispielsweise ebenfalls einen in lateraler Richtung variierenden Brechungsindex auf. Alle im Zusammenhang mit der optischen Struktur offenbarten Merkmale sind entsprechend auch für die weitere optische Struktur offenbart. Insbesondere kann es sich bei der weiteren optischen Struktur auch um einen photonischen Kristall handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die weitere optische Struktur auf einer anderen Seite der aktiven Schicht angeordnet als die optische Struktur. Zum Beispiel ist die weitere optische Struktur zwischen dem Trägersubstrat und der aktiven Schicht angeordnet.
Alternativ können die optische Struktur und die weitere optische Struktur auch auf der gleichen Seite der aktiven Schicht angeordnet sein, bevorzugt dann aber auf unterschiedlichen Höhen bezüglich der Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht.
Durch Verwendung von zwei optischen Strukturen auf unterschiedlichen Höhen kann die Laserstrahlung sehr individuell und präzise beeinträchtigt werden. Zwei optische Strukturen auf unterschiedlichen Höhen sind dabei in der Herstellung einfacher als eine optische Struktur mit den gleichen optischen Eigenschaften.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zwischen dem Trägersubstrat und der Halbleiterschichtenfolge eine Metallschicht angeordnet. Die Metallschicht ist bevorzugt spiegelnd für die Laserstrahlung. Die Metallschicht ist beispielsweise zwischen dem Bragg-Spiegel und dem Trägersubstrat angeordnet. Beispielsweise umfasst die Metallschicht eines oder mehrere der folgenden Materialien: Al, Au, Ag, Pd, Ti, Pt, Ni. Im Betrieb kann die Metallschicht Ladungsträger Richtung Halbleiterschichtenfolge transportieren.
Der hier beschriebenen Halbleiterlaser kann zum Beispiel in einem Scheinwerfer, beispielsweise eines Kraftfahrzeuges verwendet werden. Der Halbleiterlaser kann im Bereich AR/VR, Materialbearbeitung, Sensorik und/oder Lidar verwendet werden.
Als nächstes wird das Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers angegeben. Das Verfahren eignet sich insbesondere dazu, einen Halbleiterlaser gemäß zumindest einer der hier beschriebenen Ausführungsformen herzustellen. Alle im Zusammenhang mit dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser offenbarten Merkmale sind daher auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt, in dem eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Schicht auf einem Aufwachssubstrat gewachsen wird. Die aktive Schicht ist dabei zur Erzeugung von Laserstrahlung eingerichtet. Bei dem Aufwachssubstrat handelt es sich beispielsweise um ein GaN-Substrat oder ein GaAs-Substrat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt, in dem ein Trägersubstrat auf eine dem Aufwachssubstrat abgewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht wird. Das Trägersubstrat kann an die Halbleiterschichtenfolge über ein Bondverfahren, zum Beispiel Löten oder Kleben, verbunden werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt, in dem das Aufwachssubstrat zumindest teilweise, insbesondere vollständig, von der Halbleiterschichtenfolge entfernt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt, in dem eine optische Struktur auf einer Seite der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet wird. Die optische Struktur kann einen in lateraler Richtung, senkrecht zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge, variierenden Brechungsindex für die Laserstrahlung aufweisen.
Die drei zuerst genannten Schritte des Verfahrens werden bevorzugt nacheinander in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt. Der Schritt des Ausbildens der optischen Struktur kann nach dem Ablösen des Aufwachsubstrats erfolgen. Die optische Struktur wird dann insbesondere auf einer dem Trägersubstrat gegenüberliegenden Seite der aktiven Schicht gebildet.
Alternativ kann die optische Struktur auch vor dem Aufbringen des Trägersubstrats gebildet werden. Beispielsweise wird die optische Struktur während des Wachsens der Halbleiterschichtenfolge oder nach dem Wachsen der Halbleiterschichtenfolge gebildet. Die optische Struktur wird dann zum Beispiel auf einer dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite der aktiven Schicht gebildet.
Es kann auch eine optische Struktur auf einer dem Trägersubstrat abgewandten Seite der aktiven Schicht und eine weitere optische Struktur auf einer dem Aufwachssubstrat abgewandten Seite der aktiven Schicht gebildet werden.
Für das Entfernen des Aufwachssubstrats kann beispielsweise ein Ätzprozess verwendet werden. Dafür kann zwischen der Halbleiterschichtenfolge und dem Aufwachssubstrat eine Opferschicht gebildet sein, die durch Ätzen zerstört wird und so die Halbleiterschichtenfolge von dem Aufwachssubstrat getrennt werden kann. Bei der Opferschicht handelt es sich beispielsweise um hochdotiertes n-GaN.
Das Aufwachssubstrat kann auch durch Abschleifen entfernt werden. Dies kann auch bei homoepitaktischem Wachstum, zum Beispiel einer GaN-Halbleiterschichtenfolge auf einem GaN-Substrat, angewandt werden. Hier sollte besonders auf den Verspannungshaushalt geachtet werden, damit der Halbleiterlaser nicht durch Risse beeinträchtigt wird. Daher sollte bevorzugt ein Trägersubstrat verwendet werden, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizent an den restlichen Schichtstapel angepasst ist (z.B. Germanium) und ein duktiles Lotsystem (z.B. AuInSn). Anschließend kann restliches unerwünschtes Material entfernt werden, beispielsweise durch einen trocken- oder nasschemischen Ätzprozess der auf einer epitaktisch definierten Ätzstoppschicht stoppt.
Eine weitere Möglichkeit das Aufwachssubstrat zu entfernen ist epitaktisches Wachstum auf 2D-Materialien mit geringer Haftung zu benachbarten Schichten (nur durch Van-der-Waals-Kräfte). Dadurch können Bauteile flächig oder chipfein vom Aufwachssubstrat abgelöst werden, indem die schwache Bindung der Schichten gelöst wird. Besonders geeignet für das Wachstum von einer GaN-basierten Halbleiterschichtenfolge ist dabei hexagonales Bornitrid. Um eine gute Relaxation von Spannungen in lateraler Richtung zu ermöglichen und gleichzeitig den Ablöseprozess zu vereinfachen, ist ein Wachstum nur innerhalb vordefinierter Bereiche vorteilhaft, also beispielsweise nur auf den Chipflächen und nicht in den dazwischenliegenden Trenngräben.
Durch Einbringen einer geeigneten, absorbierenden Grenzfläche und eines direkt benachbarten Materials mit geeigneter chemischer Zusammensetzung kann auch ein laserbasiertes Verfahren zum Ablösen des Aufwachssubstrats verwendet werden (Laser-Lift-Off) .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Ausbilden der optischen Struktur einen Schritt, in dem die Halbleiterschichtenfolge durch Einbringen einer Mehrzahl von Vertiefungen in die Halbleiterschichtenfolge strukturiert wird. Dies geschieht zum Beispiel an einer der aktiven Schicht abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge. Das Strukturieren kann beispielsweise über einen Ätzprozess unter Verwendung einer Maske erfolgen. Die Maske kann aus Fotolack, SiO, ITO, SiN oder Metall gebildet werden. Es kann auch ein zweistufiger Ätzprozess unter Verwendung von zwei Masken angewendet werden, wodurch Vertiefungen unterschiedlicher Tiefen in der Halbleiterschichtenfolge erzeugt werden können.
Die Halbleiterschichtenfolge weist zum Beispiel eine Ätzstoppschicht auf. Die Ätzstoppschicht ist beispielsweise auf einer dem Trägersubstrat abgewandten Seite der aktiven Schicht und innerhalb der Halbleiterschichtenfolge gebildet. Bei dem Ätzprozess zur Ausbildung der Vertiefungen wird das Halbleitermaterial dann bis zur Ätzstoppschicht entfernt.
Statt die Maske zum Strukturieren zu verwenden, kann die Maske auch mit Halbleitermaterial überwachsen werden, wodurch die Maske Teil der optischen Struktur wird. Bei dem Überwachsen können Hohlräume im Halbleitermaterial entstehen, die Teil der optischen Struktur sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Ausbilden der optischen Struktur einen Schritt, in dem die Vertiefungen in der Halbleiterschichtenfolge mit einem TCO und/oder einem dielektrischen Material aufgefüllt werden. Das TCO bzw. das dielektrische Material weist dabei bevorzugt einen anderen Brechungsindex auf als das Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge. Durch das Auffüllen entsteht eine optische Struktur mit einem in lateraler Richtung variierenden Brechungsindex.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Ausbilden der optischen Struktur einen Schritt, in dem ein TCO auf die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht wird. Das TCO kann über Sputtern aufgebracht werden. Beispielsweise wird das TCO vor dem Aufbringen des Trägersubstrats auf eine dem Aufwachssubstrat abgewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge oder nach dem Ablösen des Aufwachssubstrats auf eine dem Trägersubstrat abgewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge aufgebracht. Das aufgebrachte TCO kann dann zunächst eine zusammenhängende Schicht bilden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Ausbilden der optischen Struktur einen Schritt, in dem das TCO durch Einbringen von Vertiefungen in das TCO strukturiert wird. Dies kann wie oben beschrieben durch einen ein- oder mehrstufigen Ätzprozess unter Verwendung zumindest einer Maske erfolgen. Die Vertiefungen in dem TCO können anschließend mit einem dielektrische Material und/oder einem TCO aufgefüllt werden. Auch dadurch kann eine Variation des Brechungsindex in lateraler Richtung erreicht werden.
Beim Auffüllen der Vertiefungen mit TCO wird zum Beispiel eine andere Sputter- bzw. Despositionseinstellung verwendet als beim vorhergehenden Aufbringen des TCO, wodurch es zu einem sogenannten lateralen Oversputtering kommen kann. Insbesondere können dadurch Hohlräume im Bereich der Vertiefungen entstehen, die dann Teil der optischen Struktur sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die optische Struktur in der Halbleiterschichtenfolge durch Überwachsen von Strukturen mit Halbleitermaterial gebildet. Beispielsweise wird nach einem ersten Intervall des Wachstumsprozesses der Halbleiterschichtenfolge eine Struktur aus einem anderen Material (zum Beispiel Dielektrikum) als dem Material der Halbleiterschichtenfolge auf das bisher gewachsene Halbleitermaterial aufgebracht und/oder es wird das bisher gewachsene Halbleitermaterial strukturiert. In einem darauf folgenden Wachstumsintervall wird diese Struktur mit Halbleitermaterial überwachsen, auch „regrowth“ genannt. Durch das Überwachsen der Strukturen können im Bereich der Strukturen gezielt Hohlräume entstehen. Das andere Material zusammen mit dem Halbleitermaterial bzw. die Hohlräume zusammen mit dem Halbleitermaterial können dann die optische Struktur mit in lateraler Richtung variierendem Brechungsindex bilden.
Nachfolgend werden ein hier beschriebener oberflächenemittierender Halbleiterlasers sowie ein hier beschriebenes Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein. Soweit Elemente oder Bauteile in den verschiedenen Figuren in ihrer Funktion übereinstimmen, wird ihre Beschreibung nicht für jede der folgenden Figuren wiederholt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind Elemente möglicherweise nicht in allen Abbildungen mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 bis 6 ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens in verschiedenen Positionen sowie ein Ausführungsbeispiel des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers,
7 und 8 zwei weitere Ausführungsbeispiele des Halbleiterlasers,
9 bis 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens in verschiedenen Positionen sowie ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers,
13 bis 17 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens in verschiedenen Positionen sowie ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers,
18 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers,
19 und 20 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens in verschiedenen Positionen und ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers,
21 bis 23 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens in verschiedenen Positionen und weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers,
24 bis 32 weitere Ausführungsbeispiele des Halbleiterlasers,
33 ein Ausführungsbeispiel eines Halbleiterlasers in Draufsicht.

1 zeigt eine Position in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens, bei der eine Halbleiterschichtenfolge 1 auf einem Aufwachssubstrat 16 gewachsen ist. Die Halbleiterschichtenfolge 1 basiert zum Beispiel auf AlInGaN.
Alternativ kann die Halbleiterschichtenfolge 1 auch auf AlInGaAs basieren. Bei dem Aufwachssubstrat handelt es sich zum Beispiel um ein GaN- bzw. GaAs-Substrat.
Die Halbleiterschichtenfolge 1 umfasst eine aktive Schicht 10, eine n-leitende Schicht 11, eine p-leitende Schicht 12 eine Opferschicht 15, eine Ätzstoppschicht 13 und einen Bragg Spiegel 14. Der Bragg-Spiegel 14 umfasst mehrere Halbleiterschichten von unterschiedlichem Brechungsindex. Die Reihenfolge, in der die verschiedenen Schichten über dem Aufwachssubstrat 16 gewachsen sind, geht aus der 1 hervor. Auf einer dem Aufwachssubstrat 16 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 1 ist eine Metallschicht 6, zum Beispiel aus einem oder mehreren der Metallen ausgewählt aus Al, Au, Ag, Pd, Ti, Pt, Ni, angeordnet.
2 zeigt eine spätere Position in dem Verfahren. Auf die dem Aufwachssubstrat 16 abgewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge 1 bzw. auf die Metallschicht 6 ist nun ein Trägersubstrat 2 aufgebracht, zum Beispiel durch Bonden. Das Trägersubstrat 2 weist zum Beispiel zumindest eines der folgenden Materialien auf oder besteht daraus: Si, Ge, Keramik, AlN, SiC, Saphir.
3 zeigt eine Position, in der das Aufwachssubstrat 16 von der Halbleiterschichtenfolge 1 abgelöst ist, zum Beispiel durch einen Ätzprozess und/oder einen Laser-Lift-Off Prozess und/oder einen Schleifprozess. Die Halbleiterschichtenfolge 1 wird nun alleine durch das Trägersubstrat 2 getragen und mechanisch stabilisiert. Bei dem Ablösen des Aufwachssubstrats 16 wird die Opferschicht 15 entfernt.
Außerdem ist nun auf die dem Trägersubstrat 2 abgewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge 1 eine Maske 20 aus einem Fotolack aufgebracht. Die Maske 20 wird zum Beispiel durch Fotolithographie erzeugt.
4 zeigt eine spätere Position nachdem ein Ätzprozess durchgeführt wurde. Durch den Ätzprozess wurde die Halbleiterschichtenfolge 1 in den Bereichen, in denen sie nicht von der Maske 20 bedeckt war, bis zur Ätzstoppschicht 13 entfernt. Dadurch sind in der Halbleiterschichtenfolge 1 Vertiefungen 17, z.B. Gräben oder Löcher, entstanden, die vorliegend in lateraler Richtung periodisch bzw. gleichmäßig angeordnet sind. In einem Randbereich der Halbleiterschichtenfolge 1 ist die Halbleiterschichtenfolge 1 ebenfalls bis zur Ätzstoppschicht 13 entfernt.
5 zeigt eine Position, in der die Randbereiche der Halbleiterschichtenfolge 1, in der zuvor die Halbleiterschichtenfolge 1 teilweise entfernt wurde, mit einer elektrisch isolierenden Struktur 4 aus dielektrischem Material 40 bedeckt wurden. Die elektrisch isolierende Struktur 4 definiert dabei eine Apertur des später entstehenden Halbleiterlasers (siehe auch 33). Die durch den Ätzprozess entstandenen, periodisch angeordneten Vertiefungen 17 wurden außerdem mit einem transparenten leitfähigen Oxid (TCO) 5 aufgefüllt. Das TCO 5 weist einen anderen Brechungsindex auf als das Halbleitermaterial, wodurch eine optische Struktur 3 entstanden ist, die eine in lateraler Richtung, parallel zur Haupterstreckungsebene der aktiven Schicht 10, variierenden, vorliegend periodisch variierenden, Brechungsindex aufweist. Die optische Struktur 3 bildet vorliegend beispielsweise einen photonischen Kristall.
Das TCO 5 ist darüber hinaus auf die elektrisch isolierende Struktur 4 aufgebracht und dient weiter zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge 1. Insgesamt bildet das TCO 5 hier eine zusammenhängende Schicht, die sich im Wesentlichen über die gesamte laterale Ausdehnung der Halbleiterschichtenfolge 1 erstreckt.
In der Position der 6 ist nun zusätzlich auf das TCO 5 ein Kontaktelement 81 aufgebracht. Auf die der Halbleiterschichtenfolge 1 abgewandte Seite des Trägersubstrats 2 ist ein weiteres Kontaktelement 80 aufgebracht. Die beiden Kontaktelemente 80, 81 unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Polarität während des Betriebs des Halbleiterlasers 100. 6 zeigt gleichzeitig ein Ausführungsbeispiel des oberflächenemittierend Halbleiterlasers 100.
Das Trägersubstrat 2 ist elektrisch leitend. Durch elektrisches Kontaktieren der Kontaktelemente 80 und 81 werden Ladungsträger über das Trägersubstrat 2 bzw. das TCO 5 in die Halbleiterschichtenfolge 1 injiziert, wo sie innerhalb der aktiven Schicht 10 rekombinieren. Der Bragg-Spiegel 14 dient dazu, die in der aktiven Schicht 10 erzeugte Laserstrahlung (durch gestrichelten Pfeil angedeutet) in Richtung Strahlungsaustrittsfläche zu lenken. Die Strahlungsaustrittsfläche liegt dem Trägersubstrat 2 gegenüber. Die Laserstrahlung tritt dabei nur im Bereich der Apertur 101 aus bzw. aufgrund der elektrisch isolierenden Struktur 4 wird auch nur in diesem Bereich Laserstrahlung erzeugt. Die optische Struktur 3 beeinflusst zumindest einen Freiheitsgrad der erzeugten Laserstrahlung, beispielsweise dessen Strahlrichtung und/oder dessen Wellenlänge.
Durch den gezeigten Dünnfilmprozess, bei dem das Aufwachssubstrat 16 abgelöst wird und dadurch der zwischen aktiver Schicht 10 und Aufwachssubstrat 16 gewachsene Bereich der Halbleiterschichtenfolge 1 zur Ausbildung einer optischen Struktur 3 zugänglich gemacht wird, kann die optische Struktur 3 nahe der aktiven Schicht 10 erzeugt werden ohne allzu viele Defekte in der aktiven Schicht 10 zu erzeugen.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers 1, welches sich bezüglich der elektrisch isolierenden Struktur 4 zur Ausbildung der Apertur von dem Ausführungsbeispiel der 6 unterscheidet. Während in der 6 die elektrisch isolierende Struktur 4 mithilfe von dielektrischem Material 40, zum Beispiel SiO₂, gebildet ist, ist in der 7 die elektrisch isolierende Struktur 4 durch einen Plasmaätzprozess gebildet, wodurch das Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge 1 elektrisch inaktiviert wurde, also nicht mehr zur Stromleitung geeignet ist. Sowohl in der 6 als auch in der 7 liegt die elektrisch isolierende Struktur 4 bezüglich der aktiven Schicht 10 auf gleicher Höhe wie die optische Struktur 3.
Beide Arten von elektrisch isolierender Struktur 4 können bei allen hier beschrieben Ausführungsbeispielen verwendet werden.
In dem Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers 100 gemäß der 8 ist anders als in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die Kontaktierung nicht über zwei gegenüberliegende Kontaktelemente 80, 81 realisiert, sondern beide Kontaktelemente 80, 81 werden von der gleichen Seite kontaktiert. Diese Art der Kontaktierung wird top-side Kontaktierung genannt.
9 zeigt eine Position in einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Die in der 9 gezeigte Position entspricht im Wesentlichen der Position der 3. Auch hier ist eine Maske 20 aus einem Fotolack auf die dem Trägersubstrat 2 abgewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge 1 aufgebracht.
In der späteren Position der 10 ist ein erster Ätzprozess durchgeführt, bei dem die nicht von der Maske 20 bedeckten Bereiche der Halbleiterschichtenfolge 1 teilweise entfernt sind, aber nicht bis zur Ätzstoppschicht 13. Außerdem ist in der 10 auf die Bereiche, in der die Halbleiterschichtenfolge 1 teilweise entfernt wurde, nun eine zweite Maske 21 aus Fotolack aufgebracht.
11 zeigt eine spätere Position im Verfahren, nachdem ein zweiter Ätzprozess durchgeführt wurde. Die nicht von den Masken 20, 21 bedeckten Bereiche der Halbleiterschichtenfolge 1 sind nun bis zur Ätzstoppschicht 13 weggeätzt. Durch die Verwendung von zwei Masken und dem zweistufigen Ätzprozess sind Vertiefungen 17 mit unterschiedlichen Tiefen entstanden.
In der 12 ist eine Position in dem Verfahren gezeigt, nachdem der Halbleiterlaser 100 fertig gestellt wurde. Die Vertiefungen 17 sind wie in dem Ausführungsbeispiel zuvor mit TCO 5 aufgefüllt, wodurch die optische Struktur 3 mit in lateraler Richtung variierendem Brechungsindex erzeugt ist. Außerdem ist im Randbereich der Halbleiterschichtenfolge 1 wieder eine elektrisch isolierende Struktur 4 aus dielektrischem Material 40 auf die Halbleiterschichtenfolge 1 aufgebracht, um eine Apertur des Halbleiterlasers 100 zu definieren.
13 zeigt eine Position in einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Die in der 13 gezeigte Position folgt beispielsweise auf die Position der 2. Nachdem das Aufwachssubstrat 16 abgelöst wurde, wurde auf die Halbleiterschichtenfolge 1 an einer dem Trägersubstrat 2 abgewandten Seite eine Schicht aus einem TCO 5 aufgebracht. Auf die der Halbleiterschichtenfolge 1 abgewandte Seite dieser TCO-Schicht 5 ist eine Maske 20 aus Fotolack aufgebracht.
In 14 ist eine Position in dem Verfahren gezeigt, bei dem durch einen Ätzprozess die Bereiche des TCO 5, die frei von der Maske waren, weggeätzt wurden, wodurch Vertiefungen 57 in dem TCO 5 entstanden sind.
In der Position der 15 sind die Vertiefungen 57 aus der 14 mit einem dielektrischen Material 40 aufgefüllt. Auch sind die Randbereiche, in denen TCO 5 entfernt wurde, mit dem dielektrischen Material 40 aufgefüllt, wodurch erneut die elektrisch isolierende Struktur 4 zur Definition der Apertur entstanden ist.
Durch das Auffüllen der Vertiefungen 57 im TCO 5 mit dem dielektrischen Material 40 ist eine optische Struktur 3 mit in laterale Richtung variierendem Brechungsindex entstanden. Dies liegt insbesondere an denen für die Laserstrahlung unterschiedlichen Brechungsindizes des TCO 5 und des dielektrischen Materials 40.
In der 16 ist eine Position gezeigt, bei der auf die der Halbleiterschichtenfolge 1 abgewandte Seite des dielektrischen Materials 40 eine weitere Schicht des TCO 5 aufgebracht wurde.
17 zeigt die Position des Verfahrens, in der der Halbleiterlaser 100 fertig gestellt ist. Auch hier sind wieder Kontaktelemente 80,81 zu elektrisch kontaktiert der Halbleiterschichtenfolge 1 auf gegenüberliegenden Seiten aufgebracht.
18 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers 100. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem der 17 dadurch, dass hier die elektrische isolierende Struktur 4 nicht die gleiche Dicke wie die optische Struktur 3 aufweist und auch nicht bezüglich der aktiven Schicht 10 auf gleicher Höhe mit der optische Struktur 3 liegt. Vielmehr ist hier das dielektrische Material 40 zur Bildung der elektrisch isolierenden Struktur 4 auf Bereiche des TCO 5 aufgebracht, welche nicht zuvor durch einen Ätzprozess gedünnt wurden. Eine solche Ausgestaltung der elektrisch isolierenden Struktur 4 ist auch bei allen anderen Ausführungsbeispielen denkbar.
19 zeigt eine Position in einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Diese Position folgt beispielsweise auf die Position der 14. Hier wurden nur die Randbereiche, in denen das TCO 5 durch den Ätzprozess entfernt wurde, mit dem dielektrischen Material 40 zur Bildung der elektrisch isolierenden Struktur 4 aufgefüllt. Die Vertiefungen 57 in dem TCO 5 wurden statt mit einem dielektrischen Material mit einem weiteren TCO 51 aufgefüllt, welches sich bevorzugt bezüglich des Brechungsindex von dem TCO 5 unterscheidet. Außerdem wurde das weitere TCO 51 zum Beispiel durch einen gerichteten, also nicht konformen, Abscheideprozess aufgebracht, wodurch die Wachstumsgeschwindigkeit innerhalb der Vertiefungen 57 in vertikaler Richtung anders ist als in lateraler Richtung. Dadurch sind in den Vertiefungen 57 Hohlräume 30 entstanden. Diese Hohlräume 30 bilden Teil der optischen Struktur 3 und sind gegenüber den dazwischenliegenden Bereichen bezüglich des Brechungsindex unterschiedlich.
In der 20 ist eine Position des Verfahrens nach Fertigstellung des Halbleiterlasers 100 gezeigt. Erneut sind zur elektrischen Kontaktierung Kontaktelemente 80, 81 aufgebracht.
21 zeigt eine Position in einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Hier ist eine Halbleiterschichtenfolge 1 auf dem Aufwachssubstrat 16 gewachsen, wobei bereits innerhalb der Halbleiterschichtenfolge 1 eine weitere optische Struktur 31 gebildet ist. Die weitere optische Struktur 31 ist zwischen dem Bragg-Spiegel 14 und der aktiven Schicht 10 gebildet. Diese weitere optische Struktur 31 ist beispielsweise durch Überwachsen von in die Halbleiterschichtenfolge 1 eingebrachten Strukturen (regrowth) entstanden. Zum Beispiel wurde dafür der Wachstumsprozess unterbrochen, anschließend wurden Strukturen, wie Vertiefungen oder Strukturen aus einem anderen Material, in oder auf die bisher gewachsene Halbleiterschichtenfolge aufgebracht, und daraufhin diese Strukturen in einem weiteren Wachstumsprozess mit Halbleitermaterial überwachsen. Durch die dabei entstehenden Hohlräume 30 ist eine weitere optische Struktur 31 mit in lateraler Richtung variierendem Brechungsindex entstanden.
In der späteren Position der 22 ist auf die dem Aufwachssubstrat 16 abgewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge 1 bzw. auf die metallische Schicht 6 ein Trägersubstrat 2 aufgebracht.
23 zeigt eine Position in dem Verfahren nach Fertigstellung des Halbleiterlasers 100. Neben der weiteren optische Struktur 31 zwischen der aktiven Schicht 10 und dem Trägersubstrat 2 wurde hier auch auf der dem Trägersubstrat 2 gegenüberliegenden Seite der aktiven Schicht 10 eine optische Struktur 3 gebildet, wie sie im Zusammenhang mit den 19 und 20 beschrieben ist.
24 zeigt ein Ausführungsbeispiel des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers 100, bei dem anders als in 23 die elektrisch isolierende Struktur 4 wieder nicht auf Höhe der optischen Struktur 3 gebildet ist, sondern bezüglich der aktiven Schicht 10 weiter weg von der aktiven Schicht 10 angeordnet ist.
In der 25 ist ein Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers 100 gezeigt, bei der die weitere optische Struktur 31 zwischen Trägersubstrat 2 und aktiver Schicht 10 nicht innerhalb der Halbleiterschichtenfolge 1, sondern in einer zwischen der Halbleiterschichtenfolge 1 und dem Trägersubstrat 2 angeordneten Schicht aus TCO 5 gebildet ist. Hier sind in der TCO-Schicht 5 Bereiche aus dielektrischem Material 40 angeordnet.
In dem Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers 100 der 26 ist die optische Struktur 3 auf der dem Trägersubstrat 2 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 1 teilweise durch Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge 1 gebildet, sowie es beispielsweise im Zusammenhang mit den 1 bis 6 beschrieben ist.
In dem Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers 100 der 27 ist die weitere optische Struktur 31 zwischen dem Trägersubstrat 2 und der aktiven Schicht 10 weder ausschließlich in dem TCO 5 noch in der Halbleiterschichtenfolge 1 gebildet, sondern im Übergangsbereich zwischen dem TCO 5 und der Halbleiterschichtenfolge 1.
In dem Ausführungsbeispiel der 28 ist eine optische Struktur 3 nur zwischen dem Trägersubstrat 2 und der aktiven Schicht 10, nicht aber auf einer dem Trägersubstrat 2 abgewandten Seite der aktiven Schicht 10 gebildet. Die optische Struktur 3 ist hier wie die weitere optische Struktur 31 in der 27 gebildet.
29 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers 100, bei dem die optische Struktur 3 durch Halbleitermaterial und dielektrisches Material 40 gebildet ist. Anders als im Zusammenhang mit den 1 bis 6 beschrieben, wurden also hier die Vertiefungen, die über den Ätzprozess in die Halbleiterschichtenfolge 1 eingebracht wurden, nicht mit TCO 5 sondern mit dielektrischem Material 40 aufgefüllt. Danach wurde das dielektrische Material 40 beispielsweise bis zur Halbleiterschichtenfolge 1 zurück geschliffen und daraufhin ein TCO 5 für die Kontaktierung zum Halbleitermaterial aufgebracht. Das TCO 5 wurde hier beispielsweise erst nach Aufbringung der Kontaktelemente 81 aufgebracht.
In der 30 ist wieder ein Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers 100 gezeigt, bei der die optische Struktur 3 durch nebeneinander angeordneten Bereiche aus TCO 5 und dielektrischem Material 40 gebildet ist.
In dem Ausführungsbeispiel der 31 ist ein Halbleiterlaser 100 gezeigt, bei der die Definition der Apertur nicht auf der dem Trägersubstrat 2 abgewandten Seite der aktive Schicht 10, sondern zwischen der aktiven Schicht 10 und dem Trägersubstrat 2 erfolgt. Dazu weist die Halbleiterschichtenfolge 1 eine metallhaltige, z.B. aluminiumhaltige, Schicht 9 zwischen dem Bragg-Spiegel 14 und der aktiven Schicht 10 auf. Diese aluminiumhaltige Schicht 9 ist im Randbereich der Halbleiterschichtenfolge 1 gezielt oxidiert, um eine elektrisch isolierende Struktur 4 zu erzeugen, welche die Apertur des Halbleiterlasers 100 definiert. Im Inneren des Halbleiterlasers 100, also lateral beanstandet von den Seitenflächen des Halbleiterlasers 100, ist die aluminiumhaltige Schicht 9 nicht oxidiert, so dass dort eine elektrische Leitfähigkeit für die Injektion von Ladungsträger in die aktive Schicht 10 gegeben ist.
In dem Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers 100 gemäß der 32 ist anders als in der 31 die teilweise oxidierte, aluminiumhaltige Schicht 9 auf einer dem Trägersubstrat 2 abgewandten Seite der aktiven Schicht 10 gebildet, um dort die Apertur des Halbleiterlasers 100 zu definieren. Bei der aluminiumhaltigen Schicht 9 handelt es sich zum Beispiel um AlAs oder AlN.
33 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Halbleiterlasers 100 in Draufsicht auf die Strahlungsaustrittsfläche. Zu erkennen ist die Apertur 101, die beispielsweise durch die elektrisch isolierende Struktur 4, aber auch durch die Anordnung des Kontaktelements 81 (zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt) definiert ist. Außerdem ist zu erkennen, dass die optische Struktur 3 in lateraler Richtung, entlang der Papierebene, eine Variation des Brechungsindex aufweist. Die Bereiche eines bestimmten Brechungsindex sind hier durch die gestrichelten Kästchen dargestellt. Die gestrichelten Kästen repräsentieren beispielsweise Hohlräume. Die Bereiche außerhalb der gestrichelten Kästchen weisen einen anderen Brechungsindex auf. Statt der rechteckigen Form der Bereiche ist auch jede andere Form denkbar, zum Beispiel einer runde oder ovale Form.
In 33 ist die Variation des Brechungsindex periodisch in lateraler Richtung. Außerdem ist zu erkennen, dass die optische Struktur 3 im Bereich der Apertur 101 anders gestaltet ist als im Bereich außerhalb der Apertur 101. Im Bereich außerhalb der Apertur 101 kann die optische Struktur 3 dadurch andere Aufgaben erfüllen als im Bereich der Apertur 101. Zum Beispiel kann im Bereich außerhalb der Apertur 101 die optische Struktur 3 zur Umlenkung der Laserstrahlung in Richtung der Apertur 101 für eine hohe Auskoppeleffizienz eingerichtet sein, wohingegen im Bereich der Apertur 101 die optische Struktur 3 für die Selektion der Wellenlänge eingerichtet sein kann. Jedenfalls illustriert 33, dass die optische Struktur 3 nicht auf den Bereich der Apertur 101 beschränkt ist, sondern lateral über die Apertur 101 hinausragt, beispielsweise um mehr als 10 um.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Merkmale oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterschichtenfolge
2: Trägersubstrat
3: optische Struktur
4: elektrisch isolierende Struktur
5: transparentes leitfähiges Oxid
6: Metallschicht
9: metallhaltige Schicht
10: aktive Schicht
11: n-leitende Schicht
12: p-leitende Schicht
13: Ätzstoppschicht
14: Bragg-Spiegel
15: Opferschicht
16: Aufwachssubstrat
17: Vertiefung
20: Maske
21: Maske
30: Hohlraum
31: weitere optische Struktur
40: dielektrisches Material
41: plasmageätztes Material
51: weiteres transparentes leitfähiges Oxid
57: Vertiefung
80: Kontaktelement
81: Kontaktelement
100: oberflächenemittierende Halbleiterlaser

Claims

Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (100) aufweisend - eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer aktiven Schicht (10) zur Erzeugung einer Laserstrahlung, - ein Trägersubstrat (2) auf einer Seite der Halbleiterschichtenfolge (1), - eine optische Struktur (3) zur Beeinflussung mindestens eines Freiheitsgrades der Laserstrahlung, wobei - das Trägersubstrat (2) von einem Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge (1) verschieden ist und das Aufwachssubstrat zumindest teilweise entfernt ist, - die optische Struktur (3) einen in lateraler Richtung variierenden Brechungsindex für die Laserstrahlung aufweist.
Halbleiterlaser (100) nach Anspruch 1, wobei - die aktiven Schicht (10) zwischen dem Trägersubstrat (2) und der optischen Struktur (3) angeordnet ist.
Halbleiterlaser (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei - die optische Struktur (3) einen photonischen Kristall aufweist.
Halbleiterlaser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die optische Struktur (3) zumindest teilweise durch das Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge (1) gebildet ist, und/oder - die optische Struktur (3) zumindest teilweise durch transparentes leitfähiges Oxid (5) gebildet ist, und/oder - die optische Struktur (3) zumindest teilweise aus dielektrischem Material (40) gebildet ist.
Halbleiterlaser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die optische Struktur (3) mehrere Hohlräume (30) aufweist.
Halbleiterlaser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - im Randbereich der Halbleiterschichtenfolge (1) eine elektrisch isolierende Struktur (4) zur Reduzierung einer Stromeinprägung in die Halbleiterschichtenfolge (1) vorgesehen ist, wobei im Bereich der elektrisch isolierenden Struktur (4) eine Erzeugung von Laserstrahlung zumindest unterdrückt ist.
Halbleiterlaser (100) nach Anspruch 6, wobei die elektrisch isolierende Struktur (4) bezüglich der aktiven Schicht (10) auf gleicher Höhe wie die optische Struktur (3) angeordnet ist.
Halbleiterlaser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - zwischen dem Trägersubstrat (2) und der aktiven Schicht (10) ein Bragg-Spiegel (14) angeordnet ist.
Halbleiterlaser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Halbleiterschichtenfolge (1) auf Al_nIn_1-n-mGa_mN oder Al_nIn_1-n-mGa_mAs mit 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1 basiert, - die Halbleiterschichtenfolge (1) zwischen der aktiven Schicht (10) und dem Trägersubstrat (2) eine p-leitende Schicht (12) aufweist, - das Trägersubstrat (2) eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweist oder daraus besteht: Si, Ge, Keramik, AlN, SiC, Saphir.
Halbleiterlaser (100) nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 9 im Rückbezug auf Anspruch 2, wobei - zwischen der aktiven Schicht (10) und dem Trägersubstrat (2) eine weitere optische Struktur (31) mit in lateraler Richtung variierendem Brechungsindex angeordnet ist.
Halbleiterlaser (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - zwischen dem Trägersubstrat (2) und der Halbleiterschichtenfolge (1) eine Metallschicht (6) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers (100), umfassend: - Aufwachsen einer Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer aktiven Schicht (10) auf einem Aufwachssubstrat (16), wobei - die aktive Schicht (10) zur Erzeugung einer Laserstrahlung eingerichtet ist, - Aufbringen eines Trägersubstrats (2) auf eine dem Aufwachssubstrat (16) abgewandte Seite der Halbleiterschichtenfolge (1), - zumindest teilweises Entfernen des Aufwachssubstrats (16) von der Halbleiterschichtenfolge (1), - Ausbilden einer optischen Struktur (3) auf einer Seite der Halbleiterschichtenfolge (1), wobei - die optische Struktur (3) einen in lateraler Richtung, senkrecht zur Wachstumsrichtung, variierenden Brechungsindex für die Laserstrahlung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Ausbilden der optischen Struktur (3) umfasst: - Strukturieren der Halbleiterschichtenfolge (1) durch Einbringen einer Mehrzahl von Vertiefungen (17) in die Halbleiterschichtenfolge (1), und - Auffüllen der Vertiefungen (30) mit einem transparenten, leitfähigen Oxid (5) und/oder einem dielektrischen Material (40) .
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Ausbilden der optischen Struktur (3) umfasst: - Aufbringen eines transparenten leitfähigen Oxids (5) auf die Halbleiterschichtenfolge (1), - Strukturieren des transparenten leitfähigen Oxids (5) durch Einbringen von Vertiefungen (57) in das transparente leitfähige Oxid (5).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei - die optische Struktur (3) durch Überwachsen von Strukturen mit Halbleitermaterial in der Halbleiterschichtenfolge (1) gebildet wird.