DE102022107530A1

DE102022107530A1 - Oberflächenemittierende halbleiterlaserdiode und verfahren zur herstellung einer oberflächenemittierenden halbleiterlaserdiode

Info

Publication number: DE102022107530A1
Application number: DE102022107530.3A
Authority: DE
Inventors: Jens Ebbecke
Original assignee: Ams Osram International GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2023-10-05
Also published as: WO2023186390A1

Abstract

Es wird eine oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode mit einem epitaktischen Halbleiterschichtenstapel (10) angegeben, wobei der epitaktische Halbleiterschichtenstapel (10) aufweist:- eine erste Wellenleiterschicht (1) und eine zweite Wellenleiterschicht (2),- eine aktive Schicht (3), die zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (16) eingerichtet ist und innerhalb der ersten Wellenleiterschicht (1) angeordnet ist, und- einen photonischen Kristall (4), der dazu eingerichtet ist, im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung (16) aus der Halbleiterlaserdiode auszukoppeln,wobei- der epitaktische Halbleiterschichtenstapel (10) geneigte Facetten (5, 6) aufweist, so dass die erste Wellenleiterschicht (1) und die zweite Wellenleiterschicht (2) einen optischen Ringresonator für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung (16) bilden.Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode angegeben.

Description

Es werden eine oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode und ein Verfahren zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode angegeben.
Es soll eine oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode angegeben werden, die insbesondere eine verbesserte Ausgangsleistung aufweist. Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Des Weiteren soll ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode angegeben werden, mit dem die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode insbesondere einfacher herstellbar ist. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 13 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode sowie des Verfahrens zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode einen epitaktischen Halbleiterschichtenstapel. Der epitaktische Halbleiterschichtenstapel weist bevorzugt ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial auf oder besteht aus einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial.
Das III/V-Verbindungshalbleitermaterial weist wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe, wie beispielsweise B, Al, Ga, In, und ein Element aus der fünften Hauptgruppe, wie beispielsweise N, P, As, auf. Insbesondere umfasst der Begriff „III/V-Verbindungshalbleitermaterial“ die Gruppe der binären, ternären oder quaternären Verbindungen, die wenigstens ein Element aus der dritten Hauptgruppe und wenigstens ein Element aus der fünften Hauptgruppe enthalten. Beispiele dafür sind Arsenidverbindungshalbleitermaterialen aus dem System Al_xIn_yGa_1-x-yAs, Phosphidverbindungshalbleitermaterialen aus dem System Al_xIn_yGa_1-x-yP, sowie Nitridverbindungshalbleitermaterialien aus dem System Al_xIn_yGa_1-x-yN, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y < 1. Solche binäre, ternäre oder quaternäre Verbindungen können zudem zum Beispiel ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen.
Der epitaktische Halbleiterschichtenstapel umfasst insbesondere eine Vielzahl von Halbleiterschichten, deren Haupterstreckungsebene in lateralen Richtungen verläuft. Hier und im Folgenden bezeichnet eine Dicke einer Halbleiterschicht eine räumliche Ausdehnung der Halbleiterschicht in einer vertikalen Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene. Die vertikale Richtung entspricht insbesondere einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichten des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels. Die Dicke der Halbleiterschichten ist bevorzugt kleiner als eine Ausdehnung der Halbleiterschichten in lateraler Richtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode weist der epitaktische Halbleiterschichtenstapel eine erste Wellenleiterschicht und eine zweite Wellenleiterschicht auf. Die erste Wellenleiterschicht und die zweite Wellenleiterschicht sind insbesondere dazu eingerichtet, elektromagnetische Strahlung entlang der lateralen Richtungen, also parallel zur Haupterstreckungsebene der Wellenleiterschichten zu führen.
Beispielsweise umfasst die erste und/oder zweite Wellenleiterschicht zwei Mantelschichten sowie eine dazwischen angeordnete Lichtführungsschicht. Die Mantelschichten sind insbesondere zu einem zumindest teilweisen Einschluss elektromagnetischer Strahlung in der Lichtführungsschicht eingerichtet. Beispielsweise weist ein Halbleitermaterial der Mantelschichten einen höheren Brechungsindex auf, als das Halbleitermaterial der Lichtführungsschicht. Somit kann elektromagnetische Strahlung an Grenzflächen zwischen der Lichtführungsschicht und den Mantelschichten beispielsweise total reflektiert und dadurch in lateralen Richtungen geführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode weist der epitaktische Halbleiterschichtenstapel eine aktive Schicht auf, die zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung eingerichtet und innerhalb der ersten Wellenleiterschicht angeordnet ist. Die aktive Schicht ist beispielsweise zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung in einem Spektralbereich zwischen infrarotem Licht und ultraviolettem Licht eingerichtet. Die erste Wellenleiterschicht und die zweite Wellenleiterschicht sind zumindest teilweise transparent für im Betrieb von der aktiven Schicht erzeugte elektromagnetische Strahlung.
Die aktive Schicht weist beispielsweise einen pn-Übergang auf, der als Quantentopfstruktur oder als Mehrfachquantentopfstruktur ausgebildet sein kann. Im Rahmen dieser Anmeldung umfasst die Bezeichnung Quantentopfstruktur insbesondere jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch räumlichen Einschluss eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Der Einschluss der Ladungsträger kann dabei in einer, zwei, oder drei Dimensionen erfolgen.
Beispielsweise ist die aktive Schicht innerhalb der Lichtführungsschicht der ersten Wellenleiterschicht angeordnet. Die aktive Schicht kann auch die Lichtführungsschicht der ersten Wellenleiterschicht ersetzen. In diesem Fall ist die aktive Schicht direkt zwischen den zwei Mantelschichten angeordnet und bildet gemeinsam mit den Mantelschichten die erste Wellenleiterschicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode weist der epitaktische Halbleiterschichtenstapel einen photonischen Kristall auf, der dazu eingerichtet ist, im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung aus der Halbleiterlaserdiode auszukoppeln. Der photonische Kristall umfasst insbesondere eine Struktur, die zumindest teilweise transparent für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung ist und die eine räumliche Modulation eines Brechungsindex aufweist. Die räumliche Modulation des Brechungsindex ist bevorzugt periodisch und kann beispielsweise durch eine Anordnung einer Vielzahl von Ausnehmungen im Halbleitermaterial des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels erzielt werden.
Die räumliche Modulation des Brechungsindex kann dabei in einer, zwei, oder drei Raumrichtungen erfolgen. Bevorzugt weist der photonische Kristall eine räumliche Modulation des Brechungsindex in einer lateralen Richtung oder in zwei lateralen Richtungen auf und ist parallel zur Haupterstreckungsebene der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet.
Elektromagnetische Strahlung, die im photonischen Kristall propagiert, wird durch die räumliche Modulation des Brechungsindex beispielsweise gebeugt und/oder gestreut. Durch konstruktive und/oder destruktive Interferenz von verschiedenen Anteilen der gebeugten und/oder gestreuten elektromagnetischen Strahlung kann insbesondere eine Propagationsrichtung der elektromagnetischen Strahlung geändert werden.
Beispielsweise wird zumindest ein Teil der elektromagnetischen Strahlung, die in der ersten Wellenleiterschicht oder in der zweiten Wellenleiterschicht propagiert, durch den photonischen Kristall umgelenkt und aus dem epitaktischen Halbleiterschichtenstapel ausgekoppelt. Bevorzugt ist der photonische Kristall dazu eingerichtet, in lateralen Richtungen propagierende elektromagnetische Strahlung in die vertikale Richtung umzulenken. Somit kann elektromagnetische Strahlung insbesondere über eine Hauptfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels ausgekoppelt werden. Hier und im Folgenden bezeichnet die Hauptfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels eine Oberfläche, die parallel zur Haupterstreckungsebene von Halbleiterschichten im epitaktischen Halbleiterschichtenstapel angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode weist der epitaktische Halbleiterschichtenstapel geneigte Facetten auf, sodass die erste Wellenleiterschicht und die zweite Wellenleiterschicht einen optischen Ringresonator für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung bilden. Die geneigten Facetten sind dazu eingerichtet, darauf einfallende elektromagnetische Strahlung umzulenken. Insbesondere wird elektromagnetische Strahlung an den geneigten Facetten aus der ersten Wellenleiterschicht ausgekoppelt und in die zweite Wellenleiterschicht eingekoppelt, und umgekehrt.
Insbesondere weist der optische Ringresonator keine Endspiegel oder Reflektoren auf, welche die elektromagnetische Strahlung in sich zurückreflektieren. Stattdessen weist der optische Ringresonator einen geschlossenen optischen Pfad auf, den die elektromagnetische Strahlung einfach oder mehrfach durchläuft. Insbesondere kann die elektromagnetische Strahlung den geschlossenen optischen Pfad in zwei entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, beispielsweise im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn.
Zum Beispiel propagiert elektromagnetische Strahlung in der ersten Wellenleiterschicht in einer lateralen Richtung, wird durch die geneigten Facetten an einer ersten Seitenfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels in die zweite Wellenleiterschicht umgelenkt, und propagiert dort in eine im Vergleich zur ersten Wellenleiterschicht entgegengesetzte laterale Richtung. An weiteren geneigten Facetten, die an einer der ersten Seitenfläche gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels angeordnet sind, wird die elektromagnetische Strahlung von der zweiten Wellenleiterschicht beispielsweise zurück in die erste Wellenleiterschicht umgelenkt. Dort propagiert die elektromagnetische Strahlung in der ursprünglichen lateralen Richtung weiter. Somit bilden die erste und die zweite Wellenleiterschicht mit den geneigten Facetten einen optischen Ringresonator mit einem geschlossenen optischen Pfad. Dabei kann die elektromagnetische Strahlung den geschlossenen optischen Pfad insbesondere in zwei entgegengesetzten Richtungen durchlaufen.
Der optische Ringresonator ist gemeinsam mit der aktiven Schicht dazu eingerichtet, elektromagnetische Laserstrahlung zu erzeugen. Elektromagnetische Laserstrahlung entsteht durch stimulierte Emission und weist im Unterschied zu elektromagnetischer Strahlung, die durch spontane Emission erzeugt wird, in der Regel eine sehr hohe Kohärenzlänge, eine sehr schmale spektrale Linienbreite und/oder einen hohen Polarisationsgrad auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode den epitaktischen Halbleiterschichtenstapel, wobei der epitaktische Halbleiterschichtenstapel aufweist:

- die erste Wellenleiterschicht und die zweite Wellenleiterschicht,
- die aktive Schicht, die zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung eingerichtet und innerhalb der ersten Wellenleiterschicht angeordnet ist,
- den photonischen Kristall, der dazu eingerichtet ist, im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung aus der Halbleiterlaserdiode auszukoppeln, wobei
- der epitaktische Halbleiterschichtenstapel geneigte Facetten aufweist, so dass die erste Wellenleiterschicht und die zweite Wellenleiterschicht einen optischen Ringresonator für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung bilden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode koppelt der photonische Kristall an die elektromagnetische Strahlung, die in der zweiten Wellenleiterschicht propagiert. Beispielsweise koppelt der photonische Kristall an evaneszente elektromagnetische Strahlung, die in einem Randbereich der zweiten Wellenleiterschicht propagiert. Der Randbereich umfasst beispielsweise die Mantelschicht der zweiten Wellenleiterschicht, die der Hauptfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels zugewandt ist. Somit wird zumindest ein Teil der in der zweiten Wellenleiterschicht propagierenden elektromagnetischen Strahlung durch den photonischen Kristall umgelenkt und bevorzugt in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der zweiten Wellenleiterschicht aus der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode ausgekoppelt.
Der hier beschriebenen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode liegt insbesondere die Idee zugrunde, einen Bereich der Lichtverstärkung von einem Bereich der Kopplung des erzeugten Lichtes an den photonischen Kristall räumlich zu trennen. Diese räumliche Trennung wird durch den optischen Ringresonator erreicht, der die zwei vertikal separierten Wellenleiterschichten umfasst. Insbesondere findet die Lichtverstärkung in der ersten Wellenleiterschicht statt, während die Kopplung des Lichtes an den photonischen Kristall bevorzugt in der zweiten Wellenleiterschicht erfolgt.
In oberflächenemittierenden Photonischer-Kristall-Lasern (engl.: „Photonic Crystal Surface Emitting Laser“, kurz PCSEL) wird der photonische Kristall insbesondere an der aktiven Schicht oder in der Nähe der aktiven Schicht angeordnet. Dadurch kann beispielsweise evaneszente elektromagnetische Strahlung aus der aktiven Schicht in den photonischen Kristall einkoppeln und aus dem Photonischen-Kristall-Laser ausgekoppelt werden. Für das Ausbilden des photonischen Kristalls wird insbesondere das epitaktische Wachstum einer Halbleiterschichtenfolge nach dem Ausbilden der aktiven Schicht und einer darauf angeordneten Kristallschicht unterbrochen. Danach werden beispielsweise Löcher mittels Elektronenstrahllithografie in Kristallschichten eingebracht, die den photonischen Kristall bilden. Anschließend kann das epitaktische Wachstum fortgesetzt werden(engl.: „regrowth“), oder der Photonische-Kristall-Laser wird durch ein Wafer-bonding mit einer weiteren Halbleiterschichtenfolge auf der Kristallschicht fertiggestellt. Diese Prozessschritte sind sowohl zeitintensiv als auch kostenintensiv. Des Weiteren kann die Anordnung des photonischen Kristalls an der aktiven Schicht die Lichtverstärkung negativ beeinflussen. Beispielsweise weist das Halbleitermaterial der aktiven Schicht durch das Ausbilden des photonischen Kristalls eine niedrigere Kristallqualität auf, wodurch insbesondere eine Effizienz und/oder eine Ausgangsleistung des Photonischen-Kristall-Lasers verringert werden kann.
Durch die räumliche Trennung des photonischen Kristalls von der aktiven Schicht in der hier beschriebenen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode kann vorteilhaft auf einen aufwendigen, teuren regrowth oder Wafer-bonding Prozess verzichtet werden. Insbesondere kann der photonische Kristall nach einem vollständigen epitaktischen Wachstumsprozess in einer Hauptfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels ausgebildet werden, die der zweiten Wellenleiterschicht am nächsten liegt. Somit ist der photonische Kristall von der aktiven Schicht räumlich getrennt und die Lichtverstärkung in der aktiven Schicht wird vom photonischen Kristall nicht gestört.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode ist zwischen der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht eine Abstandsschicht angeordnet. Die Abstandsschicht ist beispielsweise dazu eingerichtet, einen Überlapp von Moden der elektromagnetischen Laserstrahlung in der ersten Wellenleiterschicht und von Moden der elektromagnetischen Laserstrahlung in der zweiten Wellenleiterschicht zu verringern oder zu verhindern. Somit findet beispielsweise keine Interferenz und/oder kein Übersprechen von elektromagnetischer Laserstrahlung zwischen der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht statt.
Die Abstandsschicht sowie die zwei einander zugewandten Mantelschichten der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht können auch als eine gemeinsame, einzelne Schicht ausgebildet sein. In anderen Worten ist zwischen der Lichtführungsschicht oder der aktiven Schicht der ersten Wellenleiterschicht und der Lichtführungsschicht der zweiten Wellenleiterschicht nur eine Halbleiterschicht angeordnet, die sowohl als Mantelschicht der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht, als auch als Abstandsschicht eingerichtet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode beträgt eine Dicke der Abstandsschicht zumindest ein Zehntel einer Wellenlänge von im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode weist die erste Wellenleiterschicht eine erste geneigte Facette auf, die zweite Wellenleiterschicht weist eine zweite geneigte Facette auf und die erste geneigte Facette und die zweite geneigte Facette sind in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Wellenleiterschichten übereinander angeordnet. In anderen Worten sind an einer Seitenfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels zwei geneigte Facetten vertikal übereinander angeordnet, wobei die erste geneigte Facette in einem Bereich der ersten Wellenleiterschicht angeordnet ist und die zweite geneigte Facette in einem Bereich der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet ist.
Bevorzugt weist der epitaktische Halbleiterschichtenstapel zumindest vier geneigte Facetten auf. Insbesondere sind auf zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels jeweils eine erste geneigte Facette und eine zweite geneigte Facette angeordnet. Der epitaktische Halbleiterschichtenstapel kann auch auf allen Seitenflächen jeweils zwei geneigte Facetten aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode sind die erste geneigte Facette und die zweite geneigte Facette einander zugewandt. Insbesondere schließen die erste geneigte Facette und die zweite geneigte Facette unterschiedliche Winkel mit der Haupterstreckungsebene der ersten Wellenleiterschicht beziehungsweise mit der Haupterstreckungsebene der zweiten Wellenleiterschicht ein. Hier und im Folgenden werden geneigte Facetten als einander zugewandt bezeichnet, wenn elektromagnetische Strahlung, die im epitaktischen Halbleiterschichtenstapel in einer lateralen Richtung propagiert, von der ersten geneigten Facette in Richtung der zweiten Facette umgelenkt wird, und umgekehrt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode sind ein erster Neigungswinkel der ersten geneigten Facette und ein zweiter Neigungswinkel der zweiten geneigten Facette so eingestellt, dass die elektromagnetische Strahlung von der ersten Wellenleiterschicht ausgekoppelt und in die zweite Wellenleiterschicht eingekoppelt wird, und umgekehrt. Hier und im Folgenden bezeichnet der erste Neigungswinkel einen Winkel, den die erste geneigte Facette mit der Haupterstreckungsebene der ersten Wellenleiterschicht einschließt. Des Weiteren bezeichnet der zweite Neigungswinkel einen Winkel, den die zweite geneigte Facette mit der Haupterstreckungsebene der zweiten Wellenleiterschicht einschließt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode beträgt die Winkelsumme aus dem ersten Neigungswinkel und dem zweiten Neigungswinkel 90 Grad mit einer Toleranz von ± 1 Grad. Somit wird lateral in der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge propagierende elektromagnetische Strahlung durch die erste geneigte Facette und die zweite geneigte Facette gemeinsam um 180° innerhalb der angegebenen Toleranz umgelenkt.
Insbesondere wird elektromagnetische Strahlung, die in der ersten Wellenleiterschicht in lateraler Richtung propagiert, über die erste geneigte Facette und über die zweite geneigte Facette in die zweite Wellenleiterschicht umgelenkt, und propagiert in der zweiten Wellenleiterschicht in entgegengesetzter Richtung relativ zur ersten Wellenleiterschicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode wird die elektromagnetische Strahlung an den geneigten Facetten durch interne Totalreflexion umgelenkt. Dabei wird die elektromagnetische Strahlung an der Facette insbesondere durch einen Brechungsindexunterschied zwischen dem Halbleitermaterial des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels und beispielsweise Umgebungsluft reflektiert.
Damit elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich an der geneigten Facette totalreflektiert wird, beträgt der Neigungswinkel der geneigten Facetten beispielsweise zumindest 20 Grad, falls der epitaktische Halbleiterschichtenstapel aus dem Arsenidverbindungshalbleitermaterial oder aus dem Phosphidverbindungshalbleitermaterial gebildet ist. Somit können die Neigungswinkel der geneigten Facetten beispielsweise zwischen einschließlich 20 Grad und einschließlich 70 Grad liegen, wobei die Winkelsumme aus dem ersten Neigungswinkel und dem zweiten Neigungswinkel ungefähr 90 Grad beträgt.
Falls der epitaktische Halbleiterschichtenstapel aus dem Nitridverbindungshalbleitermaterial besteht, beträgt der Neigungswinkel der geneigten Facette insbesondere zumindest 25 Grad, damit elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich an der geneigten Facette totalreflektiert wird. Somit können die Neigungswinkel zwischen einschließlich 25° und einschließlich 65° liegen, wobei die Winkelsumme aus dem ersten Neigungswinkel und dem zweiten Neigungswinkel ungefähr 90° beträgt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode weisen die geneigten Facetten eine hochreflektierende Beschichtung auf. Die hochreflektierende Beschichtung ist insbesondere zur Reflexion im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung eingerichtet. Beispielsweise reflektiert die hochreflektierende Beschichtung zumindest 90 %, bevorzugt zumindest 99 % der darauf einfallenden im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode umfasst der photonische Kristall eine Vielzahl von Ausnehmungen in einer der zweiten Wellenleiterschicht am nächsten liegenden Hauptfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels. Die Ausnehmungen sind bevorzugt regelmäßig zueinander angeordnet und bilden einen eindimensionalen oder zweidimensionalen photonischen Kristall. Insbesondere bilden die Ausnehmungen eine periodische Anordnung. Beispielsweise können Mittelpunkte der Ausnehmungen in einer Draufsicht auf die Hauptfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels an den Schnittpunkten eines regelmäßigen Gitters angeordnet sein und somit insbesondere einen zweidimensionalen photonischen Kristall bilden. Das regelmäßige Gitter ist zum Beispiel ein quadratisches, rechteckiges, dreieckiges, hexagonales oder schiefwinkliges Gitter.
Ein Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter Ausnehmungen oder eine Periode des Gitters ist bevorzugt an eine Wellenlänge der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung angepasst. Bevorzugt entspricht die Periode des Gitters der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung oder weicht um höchstens 50% davon ab. Die im Folgenden beschriebenen Merkmale einer Ausnehmung gelten bevorzugt für einen Großteil der Ausnehmungen, besonders bevorzugt für alle Ausnehmungen.
Die Ausnehmung ist beispielsweise ein Graben oder ein Loch, insbesondere ein Sackloch, welches sich von der Hauptfläche der epitaktische Halbleiterfolge bevorzugt senkrecht in den epitaktischen Halbleiterschichtenstapel erstreckt. Beispielsweise erstreckt sich die Ausnehmung bis zur Mantelschicht der zweiten Wellenleiterschicht. Eine Querschnittsfläche der Ausnehmung kann beispielsweise eine kreisförmige, ovale, elliptische oder polygonale, insbesondere dreieckige oder rechteckige, Form aufweisen. Ein Durchmesser der Ausnehmung beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 1 Nanometer und einschließlich 200 Nanometer. Bevorzugt beträgt der Durchmesser der Ausnehmung zwischen einschließlich 5 Nanometer und einschließlich 50 Nanometer. Bei einer Ausnehmung mit einer nicht-kreisförmigen Querschnittsfläche ist der Durchmesser insbesondere ein maximaler Durchmesser der Querschnittsfläche.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode erstrecken sich die Ausnehmungen von der Hauptfläche bis in die zweite Wellenleiterschicht hinein. Beispielsweise erstreckt sich die Ausnehmung bis in die der Hauptfläche zugewandte Mantelschicht, oder bis in die Lichtführungsschicht der zweiten Wellenleiterschicht hinein. In anderen Worten ist eine Bodenfläche der Ausnehmung in der Mantelschicht oder in der Lichtführungsschicht der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet. Insbesondere weist die Ausnehmung eine Tiefe auf, so dass zumindest ein Teil der evaneszenten elektromagnetischen Strahlung, die im Randbereich der zweiten Wellenleiterschicht propagiert, in den photonischen Kristall eingekoppelt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode sind die Ausnehmungen mit einem Gas und/oder mit einem dielektrischen Material gefüllt, wobei das dielektrische Material einen Brechungsindex für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung von höchstens 2, bevorzugt von höchstens 1,5 aufweist. Beispielsweise sind die Ausnehmungen mit Luft oder einem Schutzgas, insbesondere Stickstoff, gefüllt. Das dielektrische Material weist beispielsweise Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, oder Tantaloxid auf, oder besteht aus einem dieser Materialien.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode angegeben. Das Verfahren ist insbesondere dazu eingerichtet, eine hier beschriebene oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode herzustellen. Alle Merkmale der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode sind auch für das Verfahren zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode offenbart, und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird zunächst ein epitaktischer Halbleiterschichtenstapel mit einer ersten Wellenleiterschicht, einer zweiten Wellenleiterschicht und einer aktiven Schicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung bereitgestellt, wobei die aktive Schicht innerhalb der ersten Wellenleiterschicht angeordnet wird. Beispielsweise wird eine epitaktische Halbleiterschichtenfolge auf einem Wachstumssubstrat epitaktisch aufgewachsen und in einzelne epitaktische Halbleiterschichtenstapel vereinzelt. Dabei kann entweder die erste Wellenleiterschicht oder die zweite Wellenleiterschicht dem Wachstumssubstrat zugewandt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden geneigten Facetten ausgebildet, so dass die erste Wellenleiterschicht und die zweite Wellenleiterschicht einen optischen Ringresonator für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung bilden. Die geneigten Facetten werden beispielsweise durch ein nasschemisches Ätzverfahren gebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein photonischer Kristall an einer der zweiten Wellenleiterschicht am nächsten liegenden Hauptfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels ausgebildet, wobei der photonische Kristall dazu eingerichtet ist, im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung aus der Halbleiterlaserdiode auszukoppeln. Der photonische Kristall umfasst insbesondere eine Vielzahl von Ausnehmungen im epitaktischen Halbleiterschichtenstapel.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird vor dem Ausbilden der geneigten Facetten eine geneigte Seitenfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels durch ein trockenchemisches Mesa-Ätzen ausgebildet. Insbesondere werden beim Vereinzeln der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge in epitaktische Halbleiterschichtenstapel geneigte Seitenflächen erzeugt. An der geneigten Seitenfläche können im Anschluss die geneigten Facetten vorteilhaft einfacher ausgebildet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die geneigten Facetten durch kristallographisches Ätzen ausgebildet. In anderen Worten werden die geneigten Facetten durch ein anisotropes Ätzen entlang vorgegebener Kristallebenen ausgebildet. Bevorzugt erfolgt das kristallographische Ätzen durch ein nasschemisches Ätzverfahren. Beispielsweise können Arsenidverbindungshalbleitermaterialien oder Phosphidverbindungshalbleitermaterialien mit einer Lösung, die Salzsäure aufweist, kristallographisch geätzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird beim kristallographischen Ätzen eine erste geneigte Facette durch kristallographisches Ätzen einer Seitenfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels in einem Bereich der ersten Wellenleiterschicht ausgebildet. Des Weiteren wird eine zweite geneigte Facette durch kristallographisches Ätzen der Seitenfläche in einem Bereich der zweiten Wellenleiterschicht ausgebildet. Der Bereich hat bevorzugt zumindest eine gleiche vertikale Ausdehnung, wie die Wellenleiterschicht.
Beispielsweise ist die erste Wellenleiterschicht dem Wachstumssubstrat oder einem Trägersubstrat zugewandt. Beispielsweise wird auf der geneigten Seitenfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels im Bereich der ersten Wellenleiterschicht zunächst eine Schutzschicht aufgebracht. Die Schutzschicht ist insbesondere dazu eingerichtet, den epitaktischen Halbleiterschichtenstapel vor dem nasschemischen Ätzmittel zu schützen. Anschließend wird zum Beispiel die zweite geneigte Facette im Bereich der zweiten Wellenleiterschicht durch kristallographisches Ätzen ausgebildet. Im Anschluss daran wird beispielsweise die Schutzschicht entfernt und die erste geneigte Facette wird durch kristallographisches Ätzen ausgebildet. Dabei wird der epitaktische Halbleiterschichtenstapel im Bereich der ersten Wellenleiterschicht insbesondere unterätzt, während die bereits gebildete zweite geneigte Facette intakt bleibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird bei der Ausbildung des photonischen Kristalls eine Vielzahl von Ausnehmungen in der Hauptfläche des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels durch Elektronenstrahllithografie hergestellt. Alternativ oder zusätzlich können die Ausnehmungen unter Verwendung von Ionenstrahllithografie oder Fotolithografie gebildet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Ausbilden des photonischen Kristalls eine Kontaktschicht zur elektrischen Kontaktierung des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels auf die Hauptfläche aufgebracht. Insbesondere ist bei dem hier beschriebenen Verfahren kein epitaktisches Überwachsen des photonischen Kristalls oder kein Wafer-bonding Prozess nach der Ausbildung des photonischen Kristalls notwendig, um die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode fertigzustellen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode sowie des Verfahrens zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Die 1 und 2 zeigen schematische Schnittdarstellungen einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die 3 bis 7 zeigen schematische Schnittdarstellungen von Stadien eines Verfahrens zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die 8 und 9 zeigen schematische Schnittdarstellungen von Ausschnitten oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdioden gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.

10 zeigt exemplarisch eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines epitaktischen Halbleiterschichtenstapels.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 umfasst einen epitaktischen Halbleiterschichtenstapel 10, der auf einem Wachstumssubstrat 15 angeordnet ist. Der epitaktische Halbleiterschichtenstapel 10 weist eine erste Wellenleiterschicht 1 und eine zweite Wellenleiterschicht 2 auf, zwischen denen eine Abstandsschicht 7 angeordnet ist. Eine aktive Schicht 3 zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung 16 (hier nicht gezeigt, siehe 2) ist innerhalb der ersten Wellenleiterschicht 1 angeordnet. Die erste Wellenleiterschicht 1 und die zweite Wellenleiterschicht 2 sind dazu eingerichtet, im Betrieb von der aktiven Schicht 3 erzeugte elektromagnetische Strahlung 16 in lateralen Richtungen L parallel zu einer Haupterstreckungsebene 8 der Wellenleiterschichten 1, 2 zu führen.
Gegenüberliegende Seitenflächen 13 des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 10 weisen jeweils eine erste geneigte Facette 5 und eine zweite geneigte Facette 6 auf. Die erste geneigte Facette 5 ist in einem Bereich der ersten Wellenleiterschicht 1 angeordnet. Die zweite geneigte Facette 6 ist in vertikaler Richtung V über der ersten geneigten Facette 5 in einem Bereich der zweiten Wellenleiterschicht 2 angeordnet. Insbesondere entspricht eine Ausdehnung der ersten geneigten Facette 5 in vertikaler Richtung V einer Ausdehnung der ersten Wellenleiterschicht 1 in vertikaler Richtung V. Ebenso entspricht eine Ausdehnung der zweiten geneigten Facette 6 in vertikaler Richtung V einer Ausdehnung der zweiten Wellenleiterschicht 2 in vertikaler Richtung V.
Die erste geneigte Facette 5 schließt einen ersten Neigungswinkel α₁ mit der Haupterstreckungsebene 8 der ersten Wellenleiterschicht 1 ein, während die zweite geneigte Facette 6 einen zweiten Neigungswinkel α₂ mit der Haupterstreckungsebene 8 der zweiten Wellenleiterschicht 2 einschließt. Eine Winkelsumme aus dem ersten Neigungswinkel α₁ und dem zweiten Neigungswinkel α₂ beträgt 90 Grad mit einer Toleranz von ±1 Grad.
An einer der zweiten Wellenleiterschicht 2 am nächsten liegenden Hauptfläche 11 des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 10 ist ein photonischer Kristall 4 ausgebildet. Der photonische Kristall 4 umfasst eine Vielzahl von Ausnehmungen 9, die sich von der Hauptfläche 11 bis in einen Randbereich der zweiten Wellenleiterschicht 2 erstrecken. Die Ausnehmungen 9 sind in den lateralen Richtungen L periodisch angeordnet und bilden somit eine zweidimensionale Struktur mit einer periodischen, räumlichen Modulation eines Brechungsindex.
Die Ausnehmungen 9 weisen beispielsweise eine runde oder polygonale Querschnittsfläche mit einem Durchmesser auf, der zwischen einschließlich 5 Nanometer und einschließlich 50 Nanometer liegt. Mittelpunkte der Ausnehmungen 9 bilden ein regelmäßiges Gitter, beispielsweise ein Quadratgitter, dessen Gitterkonstante der Wellenlänge im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung 16 entspricht. Die Ausnehmungen 9 sind mit einem dielektrischen Material 12 gefüllt, dessen Brechungsindex für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung 16 höchstens 2, bevorzugt höchstens 1,5 beträgt. Alternativ oder zusätzlich können die Ausnehmungen 9 mit Umgebungsluft oder einem Gas, beispielsweise Stickstoff, gefüllt sein.
Auf der Hauptfläche 11 des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 11 ist eine Kontaktschicht 14 aufgebracht, die zur elektrischen Kontaktierung des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 10 eingerichtet ist. Ebenso ist auf einer dem epitaktischen Halbleiterschichtenstapel 10 abgewandten Hauptfläche des Wachstumssubstrats 15 eine Kontaktschicht 14 zur elektrischen Kontaktierung des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 10 aufgebracht.
2 zeigt schematische Propagationsrichtungen von elektromagnetischer Strahlung 16 in der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode gemäß dem in Verbindung mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Betrieb von der aktiven Schicht 3 erzeugte elektromagnetische Strahlung 16 wird an den geneigten Facetten 5, 6 durch interne Totalreflexion umgelenkt. Die Neigungswinkel α₁, α₂ der geneigten Facetten 5, 6 sind insbesondere so eingestellt, dass in lateraler Richtung L propagierende elektromagnetische Strahlung 16 aus der ersten Wellenleiterschicht 1 in die zweite Wellenleiterschicht 2 umgelenkt wird und dort in einer entgegengesetzten lateralen Richtung L weiter propagiert, und umgekehrt.
Die Wellenleiterschichten 1, 2 bilden mit den geneigten Facetten 5, 6 einen optischen Ringresonator für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung 16. Der optische Ringresonator ist gemeinsam mit der aktiven Schicht 3 dazu eingerichtet, elektromagnetische Laserstrahlung zu erzeugen.
Eine Dicke D der Abstandsschicht 7 beträgt zumindest ein Zehntel der Wellenlänge im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung 16. Insbesondere ist die Dicke D zumindest so groß, dass möglichst kein Übersprechen von elektromagnetischer Strahlung 16 zwischen der ersten Wellenleiterschicht 1 und der zweiten Wellenleiterschicht 2 stattfindet.
Der photonische Kristall 4 ist dazu eingerichtet, zumindest einen Teil der im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung 16 aus der zweiten Wellenleiterschicht 2 umzulenken und in vertikaler Richtung V über die Hauptfläche 11 aus der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode auszukoppeln. Insbesondere koppelt der photonische Kristall 4 an das evaneszente elektromagnetische Feld der elektromagnetischen Strahlung 16, die innerhalb der zweiten Wellenleiterschicht 2 propagiert.
Bei dem Verfahren zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 bis 7 wird zunächst ein epitaktischer Halbleiterschichtenstapel 10 auf einem Wachstumssubstrat 15 bereitgestellt (3). Der epitaktische Halbleiterschichtenstapel 10 weist eine erste Wellenleiterschicht 1, eine zweite Wellenleiterschicht 2 und eine aktive Schicht 3 auf, wobei Letztere innerhalb der ersten Wellenleiterschicht 1 angeordnet ist. Zwischen der ersten Wellenleiterschicht 1 und der zweiten Wellenleiterschicht 2 ist eine Abstandsschicht 7 angeordnet.
Die erste Wellenleiterschicht 1 und die zweite Wellenleiterschicht 2 umfassen jeweils zwei Mantelschichten 17, zwischen denen eine zumindest teilweise transparente Lichtführungsschicht 18 angeordnet ist. Die Mantelschichten 17 sind zu einem zumindest teilweisen Einschluss im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung 16 in der Lichtführungsschicht 18 eingerichtet. Insbesondere weisen die Mantelschichten 17 einen höheren Brechungsindex für die elektromagnetische Strahlung 16 auf, als die Lichtführungsschicht 18.
Die aktive Schicht 3 ist innerhalb der Lichtführungsschicht 18 der ersten Wellenleiterschicht 1 angeordnet, oder kann diese ersetzen. Die einander zugewandten Mantelschichten 17 der ersten Wellenleiterschicht 1 und der zweiten Wellenleiterschicht 2 können mit der dazwischen angeordneten Abstandsschicht 7 auch als eine gemeinsame, einzelne Mantelschicht 17 mit einer entsprechend großen Dicke D ausgebildet sein.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Stadiums der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode nach einem Verfahrensschritt, bei dem eine Schutzschicht 19 auf Teilbereiche der Seitenflächen 13 des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 10 aufgebracht wurde. Insbesondere bedeckt die Schutzschicht 19 die Seitenflächen 13 in einem Bereich der ersten Wellenleiterschicht 1, während die Seitenflächen 13 in einem Bereich der zweiten Wellenleiterschicht 2 frei von der Schutzschicht bleiben. Die Schutzschicht 19 ist dazu eingerichtet, den epitaktischen Halbleiterschichtenstapel 10 im Bereich der ersten Wellenleiterschicht 1 vor einem nasschemischen Ätzmittel zu schützen.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Stadiums der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode nach einem darauf folgenden Verfahrensschritt, bei dem die zweiten Facetten 6 im Bereich der zweiten Wellenleiterschicht 2 ausgebildet wurden. Die zweiten geneigten Facetten 6 werden insbesondere durch ein kristallographisches Ätzen erzeugt. Dabei werden die Seitenflächen 13 des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 10 anisotrop entlang vorgegebener Kristallebenen nasschemisch geätzt. Insbesondere werden die Seitenflächen nur in einem Bereich geätzt, der nicht von der Schutzschicht 19 bedeckt ist.
6 zeigt eine ein Stadium der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode nach einem weiteren Verfahrensschritt, bei dem die Schutzschicht 19 von den Seitenflächen 13 entfernt wurde und die ersten geneigten Facetten 5 im Bereich der ersten Wellenleiterschicht 1 ausgebildet wurden. Insbesondere werden die ersten geneigten Facetten 5 durch ein kristallographisches Ätzen erzeugt. Dabei werden die Seitenflächen 13 des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels im Bereich der ersten Wellenleiterschicht 1 anisotrop entlang vorgegebener Kristallebenen nasschemisch unterätzt. Insbesondere bleiben die zuvor ausgebildeten zweiten geneigten Facetten 6 dabei unverändert bestehen.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Stadiums der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode nach einem weiteren Verfahrensschritt, bei dem der photonische Kristall 4 im epitaktischen Halbleiterschichtenstapel 10 ausgebildet wurde. Insbesondere wurde eine Vielzahl von Ausnehmungen 9 unter Verwendung von Elektronenstrahllithografie in der Hauptfläche 11 des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 10 erzeugt. Die Ausnehmungen 9 erstrecken sich in vertikaler Richtung V bis zur Mantelschicht 17 der zweiten Wellenleiterschicht 2, die der Hauptfläche 11 zugewandt ist. Die Ausnehmungen 9 können sich auch bis zur Lichtführungsschicht 18 oder bis in die Lichtführungsschicht 18 der zweiten Wellenleiterschicht 2 hinein erstrecken.
8 zeigt einen Ausschnitt eines epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 10 einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel. Insbesondere weist der epitaktische Halbleiterschichtenstapel 10 eine erste geneigte Facette 5 und eine zweite geneigte Facette 6 auf. Der erste Neigungswinkel α₁ sowie der zweite Neigungswinkel α₂ betragen ungefähr 45 Grad, sodass deren Winkelsumme 90 Grad mit einer Toleranz von ±1 Grad beträgt. Somit wird in lateraler Richtung L propagierende elektromagnetische Strahlung 16 an den geneigten Facetten 5, 6 um 180 Grad im Rahmen der angegebenen Toleranz umgelenkt.
Im Gegensatz zu 8 weist die oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode gemäß dem Ausführungsbeispiel in 9 eine erste geneigte Facette 5 und eine zweite geneigte Facette 6 auf, wobei der erste Neigungswinkel α₁ und der zweite Neigungswinkel α₂ voneinander verschieden sind. Beispielsweise beträgt der erste Neigungswinkel α₁ ungefähr 30 Grad, während der zweite Neigungswinkel α₂ ungefähr 60 Grad beträgt. Die Winkelsumme aus dem ersten Neigungswinkel α₁ und dem zweiten Neigungswinkel α₂ beträgt somit 90 Grad im Rahmen einer Toleranz von ±1 Grad. Dadurch wird in lateraler Richtung L propagierende elektromagnetische Strahlung 16 an den geneigten Facetten 5, 6 um 180 Grad im Rahmen der angegebenen Toleranz umgelenkt.
Damit die elektromagnetische Strahlung 16 an der ersten geneigten Facette 5 und an der zweiten geneigten Facette 6 totalreflektiert wird, sind der erste Neigungswinkel α₁ und der zweite Neigungswinkel α₂ bevorzugt größer oder gleich einem minimalen Winkel. Für einen epitaktischen Halbleiterschichtenstapel 10 aus einem Arsenid- oder Phosphidverbindungshalbleitermaterial beträgt der minimale Winkel für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich beispielsweise 20 Grad, während der minimale Winkel für elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich bei Nitridverbindungshalbleitermaterialien beispielsweise 25 Grad beträgt.
Durch eine Wahl des ersten Neigungswinkels α₁ und des zweiten Neigungswinkel α₂ im Rahmen der oben angegebenen Grenzen können sich vorteilhaft mehrere Möglichkeiten für ein kristallographisches Ätzen der geneigten Facetten 5, 6 ergeben. Beispielsweise können Kristallebenen des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 10 ausgewählt werden, entlang derer ein kristallographisches Ätzen besonders einfach möglich ist.
10 zeigt exemplarisch eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines epitaktischen Halbleiterschichtenstapels 10 auf einem Wachstumssubstrat 15. Der Halbleiterschichtenstapel 10 besteht aus einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial und weist erste geneigte Facetten 5 auf, die durch kristallographisches Ätzen gemäß dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt sind.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: erste Wellenleiterschicht
2: zweite Wellenleiterschicht
3: aktive Schicht
4: photonischer Kristall
5: erste geneigte Facette
6: zweite geneigte Facette
7: Abstandsschicht
8: Haupterstreckungsebene
9: Ausnehmungen
10: epitaktischer Halbleiterschichtenstapel
11: Hauptfläche
12: dielektrisches Material
13: Seitenfläche
14: Kontaktschicht
15: Wachstumssubstrat
16: elektromagnetische Strahlung
17: Mantelschicht
18: Lichtführungsschicht
19: Schutzschicht
D: Dicke
L: laterale Richtung
V: vertikale Richtung
α1: erster Neigungswinkel
α2: zweiter Neigungswinkel

Claims

Oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode mit einem epitaktischen Halbleiterschichtenstapel (10), wobei der epitaktische Halbleiterschichtenstapel (10) aufweist: - eine erste Wellenleiterschicht (1) und eine zweite Wellenleiterschicht (2), - eine aktive Schicht (3), die zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (16) eingerichtet ist und innerhalb der ersten Wellenleiterschicht (1) angeordnet ist, und - einen photonischen Kristall (4), der dazu eingerichtet ist, im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung (16) aus der Halbleiterlaserdiode auszukoppeln, wobei - der epitaktische Halbleiterschichtenstapel (10) geneigte Facetten (5, 6) aufweist, so dass die erste Wellenleiterschicht (1) und die zweite Wellenleiterschicht (2) einen optischen Ringresonator für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung (16) bilden.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode nach dem vorherigen Anspruch, wobei der photonische Kristall (4) an die elektromagnetische Strahlung (16) koppelt, die in der zweiten Wellenleiterschicht (2) propagiert.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen der ersten Wellenleiterschicht (1) und der zweiten Wellenleiterschicht (2) eine Abstandsschicht (7) angeordnet ist.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode nach dem vorherigen Anspruch, wobei eine Dicke (D) der Abstandsschicht (7) zumindest ein Zehntel einer Wellenlänge von im Betrieb erzeugter elektromagnetischer Strahlung (16) beträgt.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - die erste Wellenleiterschicht (1) eine erste geneigte Facette (5) aufweist, - die zweite Wellenleiterschicht (2) eine zweite geneigte Facette (6) aufweist, und - die erste geneigte Facette (5) und die zweite geneigte Facette (6) in einer Richtung senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene (8) der Wellenleiterschichten (1, 2) übereinander angeordnet sind.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode nach dem vorherigen Anspruch, wobei die erste geneigte Facette (5) und die zweite geneigte Facette (6) einander zugewandt sind.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei ein erster Neigungswinkel (α₁) der ersten geneigten Facette (5) und ein zweiter Neigungswinkel (α₂) der zweiten geneigten Facette (6) so eingestellt sind, dass die elektromagnetische Strahlung (16) von der ersten Wellenleiterschicht (1) ausgekoppelt und in die zweite Wellenleiterschicht (2) eingekoppelt wird, und umgekehrt.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Winkelsumme aus dem ersten Neigungswinkel (α₁) und dem zweiten Neigungswinkel (α₂) 90 Grad beträgt, mit einer Toleranz von ±1 Grad.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die elektromagnetische Strahlung (16) an den geneigten Facetten (5, 6) durch interne Totalreflexion umgelenkt wird.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der photonische Kristall (4) eine Vielzahl von Ausnehmungen (9) in einer der zweiten Wellenleiterschicht (2) am nächsten liegenden Hauptfläche (11) des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels (10) umfasst.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode nach dem vorherigen Anspruch, wobei sich die Ausnehmungen (9) von der Hauptfläche (11) bis in die zweite Wellenleiterschicht (2) hinein erstrecken.
Oberflächenemittierende Halbleiterlaserdiode nach einem der Ansprüche 8 und 9, wobei - die Ausnehmungen (11) mit einem Gas und/oder einem dielektrischen Material (12) gefüllt sind, und - das dielektrische Material (12) einen Brechungsindex für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung (16) von höchstens 2 aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode mit den Schritten: - Bereitstellen eines epitaktischen Halbleiterschichtenstapels (10) mit einer ersten Wellenleiterschicht (1), einer zweiten Wellenleiterschicht (2) und einer aktiven Schicht (3) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung (16), wobei die aktive Schicht (3) innerhalb der ersten Wellenleiterschicht (1) angeordnet wird, - Ausbilden von geneigten Facetten (5, 6), so dass die erste Wellenleiterschicht (1) und die zweite Wellenleiterschicht (2) einen optischen Ringresonator für im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung (16) bilden, - Ausbilden eines photonischen Kristalls (4) an einer der zweiten Wellenleiterschicht (2) am nächsten liegenden Hauptfläche (11) des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels (10), wobei der photonische Kristall (4) dazu eingerichtet ist, im Betrieb erzeugte elektromagnetische Strahlung (16) aus der Halbleiterlaserdiode auszukoppeln.
Verfahren zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode nach dem vorherigen Anspruch, wobei vor dem Ausbilden der geneigten Facetten (5, 6) eine geneigte Seitenfläche (13) des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels (10) durch ein trockenchemisches Mesa-Ätzen ausgebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei die geneigten Facetten (5, 6) durch kristallographisches Ätzen ausgebildet werden.
Verfahren zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode nach dem vorherigen Anspruch, wobei das kristallographische Ätzen folgende Schritte aufweist: - Ausbilden einer ersten geneigten Facette (5) durch kristallographisches Ätzen einer Seitenfläche (13) des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels (10) in einem Bereich der ersten Wellenleiterschicht (1), und - Ausbilden einer zweiten geneigten Facette (6) durch kristallographisches Ätzen der Seitenfläche (13) in einem Bereich der zweiten Wellenleiterschicht (2).
Verfahren zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei zur Ausbildung des photonischen Kristalls (4) eine Vielzahl von Ausnehmungen (9) in der Hauptfläche (11) durch Elektronenstrahllithographie hergestellt werden.
Verfahren zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Halbleiterlaserdiode nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei nach dem Ausbilden des photonischen Kristalls eine Kontaktschicht (14) zur elektrischen Kontaktierung des epitaktischen Halbleiterschichtenstapels (10) auf die Hauptfläche (11) aufgebracht wird.