DE102022127141A1

DE102022127141A1 - Halbleiterbauteil

Info

Publication number: DE102022127141A1
Application number: DE102022127141.2A
Authority: DE
Inventors: Johanna Sophie Kolb
Original assignee: Trumpf Photonic Components GmbH
Current assignee: Trumpf Photonic Components GmbH
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2022-10-17
Publication date: 2023-05-04

Abstract

Halbleiterbauteil (10) zum Emittieren von Laserlicht mit einem Grundkörper (11) und mindestens einen auf einer Oberfläche (18) des Grundkörpers (11) angeordneten Mesakörper (12) mit einem oberflächlichen Emissionsbereich (13) für das Laserlicht, dem ein p-dotierter Spiegelabschnitt (15), ein n-dotierter Spiegelabschnitt (16) und ein zwischen den beiden Spiegelabschnitten (15, 16) angeordneter aktiver Abschnitt (17) zur Erzeugung des Lichts innerhalb des Mesakörpers (12) zugeordnet sind, und mit elektrischen Kontakten (24) zum Einspeisen von elektrischer Energie in den aktiven Abschnitt (17), dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Grundkörper (11) beinhaltetes außenliegendes Substrat (20) eine n-Dotierung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauteil zum Emittieren von Laserlicht.
Herkömmliche VCSEL-Strukturen werden mit einer gemeinsamen Kathode aufgebaut und erfordern daher weniger effiziente High-Side-Treiber, die im Vergleich zu einer VCSEL-Struktur mit Low-Side-Treibern nur längere Pulse ermöglichen. Elektronische Low-Side-Treiber sind wesentlich effizienter und ermöglichen kürzere Pulse als High-Side-Schalter. Die kürzeren Pulse führen insbesondere zur Effizienzsteigerung bei 3D-Sensoranwendungen insbesondere in Smartphones.
Es wird vorgeschlagen ein Halbleiterbauteil zum Emittieren von Laserlicht zu schaffen, das einen Grundkörper und mindestens einen auf einer Oberfläche des Grundkörpers angeordneten Mesakörper mit einem oberflächlichen Emissionsbereich für das Laserlicht aufweist, dem ein p-dotierter Spiegelabschnitt, ein n-dotierter Spiegelabschnitt und ein zwischen den beiden Spiegelabschnitten angeordneter aktiver Abschnitt zur Erzeugung des Lichts innerhalb des Mesakörpers zugeordnet sind, wobei das Halbleiterbauteil weiter elektrische Kontakte zum Einspeisen von elektrischer Energie in den aktiven Abschnitt aufweist, wobei ein vom Grundkörper beinhaltetes außenliegendes Substrat eine n-Dotierung aufweist.
Der Grundkörper ist durch funktionelle Schichten aufgebaut, die in einer Stapelrichtung gestapelt sind. Der auf dem Grundkörper angeordnete Mesakörper ist ebenfalls aus funktionellen Schichten aufgebaut.
Kürzere Pulse und hohe Leistungen, die für hochauflösende 3D-Sensoranwendungen erforderlich sind, können mit gemeinsamen Anodentreiberkonzepten realisiert werden. Diese gemeinsamen Anodentreiberkonzepte sind effizienter als gemeinsame Kathodentreiber. Mit der vorliegenden Erfindung können sie eingesetzt werden und ermöglichen somit hocheffiziente, kostengünstige Systeme für z.B. 3D-Sensoranwendungen.
Die Erfindung kann vollständig im Epitaxiewachstum mit Standardwachstumsrezepturen durchgeführt werden, ohne dass p-dotierte Substrate verwendet werden, die hohe Defektdichten aufweisen und daher die Ausfallwahrscheinlichkeit für jedes aus solchem Material hergestellte Bauelement erhöhen. Auch die Verwendung von Tunnelübergängen zur Umpolung der Polarität kann entfallen, was die Komplexität des epitaktischen Wachstums erhöht und einen zusätzlichen Verlustkanal sowie hochdotierte Schichten (1-10E19 1/cm3) unter der VCSEL-Struktur einführt, die Morphologieprobleme für die VCSEL-Struktur verursachen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführung und Weiterbildung der Erfindung möglich.
Vorteilhafterweise weist der Grundkörper eine auf dem Substrat angeordnete Epitaxie-Startschicht auf, die eine n-Dotierung aufweist. Die Epitaxie-Startschicht dient zum Aufwachsen weiterer Schichten, die der Grundkörper beinhaltet und/oder der Ausbildung des Mesakörpers dienen.
Ferner umfasst das Halbleiterbauteil eine Kontaktschicht mit einer p-Dotierung in Höhe von in etwa vorzugsweise > 6 * 10^18 cm^-3. Die Kontaktschicht kann mit wenigstens einem elektrischen Kontakt verbunden werden und dient dazu elektrischen Strom zur aktiven Schicht zu führen.
Vorzugsweise ist die Kontaktschicht auf der Epitaxie-Startschicht im Grundkörper angeordnet, wobei der Mesakörper auf der Kontaktschicht angeordnet ist.
Besonders vorteilhaft ist es, die Kontaktschicht mit einer Dicke von in etwa 600 bis 900 Mikrometer, insbesondere 6 bis 20 Mikrometer, quer zu ihrer Haupterstreckungsebene auszubilden.
Bevorzugt ist es, die Kontaktschicht mit einer Dicke von in etwa 0,5 bis 8 Mikrometer, vorzugsweise 2 bis 8 Mikrometer, besonders vorzugsweise 2 Mikrometer, quer zu ihrer Haupterstreckungsebene auszubilden.
Um einen ungewollten Stromfluss durch das Substrat zu verringern oder gar zu vermeiden kann zwischen der Kontaktschicht und dem Substrat eine Isolierschicht oder eine Semi-Isolierschicht angeordnet sein. Hierdurch kann die Ausbildung eines sogenannten Shunts unterdrückt werden. Die Semi-Isolierschicht kann ein undotierter Halbleiter sein, der erst bei Anlegen einer bestimmten Spannung einen Stromfluss zulässt.
Um den ungewollten Stromfluss weiter vorteilhaft zu beherrschen, kann zwischen der Kontaktschicht und dem Substrat eine Diode ausgebildet werden, die derart ausgerichtet ist, dass in einem Normalbetrieb des Halbleiterbauteils von der Kontaktschicht in das Substrat näherungsweise kein elektrischer Strom fließt, der Einfluss auf den Normalbetrieb hat. Die Diode kann entlang der gesamten dem Substrat zugwandten Grenzfläche der Kontaktschicht flächig ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist der Mesakörper mit dem p-dotierten Spiegelabschnitt auf dem Grundkörper und insbesondere auf der Kontaktschicht angebracht. Der p-dotierte Spiegelabschnitt liegt auf der Oberfläche des Grundkörpers auf, die die Außenfläche der Kontaktschicht ist.
Es kann vorgesehen werden, dass der Emissionsbereich auf einer Außenfläche des n-dotierten Spiegelabschnitts angeordnet ist.
Alternativ oder ergänzend kann der Emissionsbereich auf einer Außenfläche des Substrats angeordnet sein, wobei das Substrat insbesondere ein semi-isolierendes Substrat ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Kontaktschicht im Mesakörper angeordnet sein. Insbesondere kann die Kontaktschicht in dem p-dotierten Spiegelabschnitt angeordnet sein, sodass der p-dotierte Spiegelabschnitt in zwei Unterabschnitte unterteilt ist. In diesem Fall ist die Kontaktschicht zwischen der aktiven Schicht und dem Grundkörper angeordnet.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
Jede Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann als sogenannter Top-Emitter und/oder Bottomemitter ausgeführt werden.
Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Richtungsangaben in der folgenden Erläuterung sind gemäß der Leserichtung der Zeichnungen zu verstehen.
Es zeigen:

1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauteil, und
2 ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauteils.

In 1 ist ein Schnitt durch ein Halbleiterbauteil 10 zum Emittieren von Laserlicht gezeigt. Auf einem Grundkörper 11 des Halbleiterbauteils 10 ist mindestens ein auf einer Oberfläche 18 des Grundkörpers 11 angeordneter Mesakörper 12 angeordnet. Es können auch mehrere Mesakörper 12 angeordnet werden, sodass ein Array von Mesakörpern 12 auf dem Grundkörper 11 ausbildbar ist.
Auf eine Außenfläche 26 des Mesakörpers 12 ist ein Emissionsbereich 13 angeordnet, aus dem das Laserlicht austritt. Auf der Außenfläche 26 ist auch ein elektrischer Kontakt 23 angeordnet, der zum Einspeisen oder Herausleiten eines elektrischen Stroms vorgesehen ist. Ferner ist wenigstens ein weiterer elektrischer Kontakt 23 auf der Oberfläche 18 des Grundkörpers 11 angeordnet. Der Emissionsbereich 13 ist auf der Außenfläche 26 des n-dotierten Spiegelabschnitts 16 angeordnet.
Der Mesakörper 12 weist einen p-dotierten Spiegelabschnitt 15, einen n-dotierten Spiegelabschnitt 16 und ein zwischen den beiden Spiegelabschnitten 15, 16 angeordneten aktiven Abschnitt 17 zur Erzeugung des Laserlichts auf. Die Spiegelabschnitte 15, 16 und die aktive Schicht 17 sind innerhalb des Mesakörpers 12 angeordnet.
Ferner weist der Grundkörper 11 ein außenliegendes Substrat 20 auf, das eine n-Dotierung aufweist. Es bildet die äußerste Schicht eines dem Grundkörper 11 zugrundeliegenden Stapels aus funktionellen Schichten auf.
Vorteilhafterweise weist der Grundkörper 11 eine auf dem Substrat 20 angeordnete Epitaxie-Startschicht 22 auf, die eine n-Dotierung aufweisen kann. Die Epitaxie-Startschicht 22 dient zum Aufwachsen weiterer Schichten, die der Grundkörper 11 beinhaltet oder die zur Ausbildung des Mesakörpers 12 dienen.
Ferner umfasst das Halbleiterbauteil 10 eine Kontaktschicht 24 mit einer p-Dotierung in Höhe von in etwa vorzugsweise > 6 * 10^18 cm^-3. Die Kontaktschicht 24 kann mit wenigstens einem elektrischen Kontakt 23 verbunden werden und dient dazu elektrischen Strom zur aktiven Schicht 15 zu führen. Die Kontaktschicht 24 bildet vorzugsweise die äußerste Schicht des Stapels des Grundkörpers 11. Die Kontaktschicht ist vorzugsweise auf einer zum Substrat 20 gegenüberliegenden Seite des Grundkörpers 11 angeordnet. Der elektrische Kontakt 23 kann auf der Außenfläche der Kontaktschicht 24 angeordnet werden, die auch die Oberfläche 18 des Grundkörpers 11 bildet.
Vorzugsweise ist die Kontaktschicht auf der Epitaxie-Startschicht 22 im Grundkörper 11 angeordnet, wobei der Mesakörper 12 auf der Kontaktschicht 22 angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist es, die Kontaktschicht 22 mit einer Dicke von in etwa 0,5 bis 8 Mikrometer, insbesondere 2 bis 8 Mikrometer, quer zu ihrer Haupterstreckungsebene auszubilden. Die Haupterstreckungsebene ist parallel zu den funktionellen Schichten und senkrecht zur Stapelrichtung des dem Halbleiterbauteil 10 zugrundeliegenden Stapels. Insbesondere während Ätzprozessen, die den Mesakörper 12 formen sollen, kann eine Dicke von in etwa 0,5 bis 8 Mikrometer, insbesondere 2 bis 8 Mikrometer, vorteilhaft sein.
Um einen ungewollten Stromfluss durch das Substrat 20 zu verringern oder gar zu vermeiden kann zwischen der Kontaktschicht 24 und dem Substrat 20 eine Isolierschicht oder eine Semi-Isolierschicht angeordnet sein. Hierdurch kann die Ausbildung eines sogenannten Shunts unterdrückt werden. Die Isolierschicht oder die Semi-Isolierschicht erstrecken sich entlang der gesamten Querschnittsfläche des Grundkörpers 11.
Durch Stapeln von unterschiedlich dotiertem Schichten können Dioden hergestellt werden. Solch eine Anordnung kann zwischen der Kontaktschicht 24 und dem Substrat 20 eine Diode 21 ausbilden, sodass in einem Normalbetrieb des Halbleiterbauteils 10 von der Kontaktschicht 24 in das Substrat 20 näherungsweise kein elektrischer Strom fließt. Dadurch wird ein effizienter Normalbetrieb gewährleistet. Die Diode 21 kann entlang der gesamten dem Substrat 20 zugwandten Grenzfläche der Kontaktschicht 24 flächig ausgebildet sein.
Der Mesakörper 12 ist mit dem p-dotierten Spiegelabschnitt 15 auf dem Grundkörper 11 und insbesondere auf der Kontaktschicht 24 angebracht. Der p-dotierte Spiegelabschnitt 15 liegt auf der Oberfläche 18 des Grundkörpers 11 auf, die die Außenfläche der Kontaktschicht 24 ist.
Alternativ oder ergänzend kann der Emissionsbereich 13 auf einer Außenfläche 28 des Substrats 20 angeordnet sein, wobei das Substrat 20 insbesondere ein semi-isolierendes Substrat 20 ist.
Bei einer alternativen nicht abgebildeten Ausführungsform kann die Kontaktschicht 22 im Mesakörper 12 angeordnet sein. Insbesondere kann die Kontaktschicht 22 in dem p-dotierten Spiegelabschnitt 15 angeordnet sein, sodass der p-dotierte Spiegelabschnitt 15 in zwei Unterabschnitte unterteilt ist. In diesem Fall ist die Kontaktschicht 22 zwischen der aktiven Schicht 17 und der Oberfläche 18 des Grundkörpers 11 angeordnet.
In 2 ist ein Ersatzschaltbild des Halbleiterbauteils 10 abgebildet. Der Mesakörper 12 ist als Laserdiode 120 dargestellt, die mit in ihrem Stromstrang 230 angeordneten Vor- und einen Nachwiderständen 121, 122 verbunden ist. Der Stromstrang 230 ist zwischen den elektrischen Kontakten 23 angeordnet. Das Substrat 20 ist durch die Diode 21 von dem Stromstrang 230 abgekoppelt, sodass kein Shunt entsteht.

Claims

Halbleiterbauteil (10) zum Emittieren von Laserlicht mit einem Grundkörper (11) und mindestens einen auf einer Oberfläche (18) des Grundkörpers (11) angeordneten Mesakörper (12) mit einem oberflächlichen Emissionsbereich (13) für das Laserlicht, dem ein p-dotierter Spiegelabschnitt (15), ein n-dotierter Spiegelabschnitt (16) und ein zwischen den beiden Spiegelabschnitten (15, 16) angeordneter aktiver Abschnitt (17) zur Erzeugung des Lichts innerhalb des Mesakörpers (12) zugeordnet sind, und mit elektrischen Kontakten (23) zum Einspeisen von elektrischer Energie in den aktiven Abschnitt (17), dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Grundkörper (11) beinhaltetes außenliegendes Substrat (20) eine n-Dotierung aufweist.
Halbleiterbauteil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (11) eine auf dem Substrat (20) angeordnete Epitaxie-Startschicht (22) aufweist, die eine n-Dotierung aufweist.
Halbleiterbauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Kontaktschicht (24) mit einer p-Dotierung in Höhe von in etwa vorzugsweise > 6 * 10^18 cm^-3.
Halbleiterbauteil (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (24) auf der Epitaxie-Startschicht (22) im Grundkörper (11) angeordnet ist, wobei der Mesakörper (12) auf der Kontaktschicht (24) angeordnet ist.
Halbleiterbauteil (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (24) eine Dicke von in etwa 0,5 bis 8 Mikrometer, insbesondere 2 bis 8 Mikrometer, quer zu ihrer Haupterstreckungsebene aufweist.
Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kontaktschicht (24) und dem Substrat (20) eine Isolierschicht oder eine Semi-Isolierschicht angeordnet ist.
Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der der Kontaktschicht (24) und dem Substrat (20) eine Diode (21) ausgebildet ist, die derart ausgerichtet ist, dass in einem Normalbetrieb des Halbleiterbauteils (10) von der Kontaktschicht (24) in das Substrat (20) näherungsweise kein elektrischer Strom fließt, der Einfluss auf den Normalbetrieb hat.
Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mesakörper (12) mit dem p-dotierten Spiegelabschnitt (15) auf dem Grundkörper (11) und insbesondere auf der Kontaktschicht (24) angebracht ist.
Halbleiterbauteil (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (24) in dem p-dotierten Spiegelabschnitt (15) angeordnet ist, sodass der p-dotierte Spiegelabschnitt (15) in zwei Unterabschnitte unterteilt ist.
Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissionsbereich (13) auf einer Außenfläche (26) des n-dotierten Spiegelabschnitts (16) angeordnet ist.
Halbleiterbauteil (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Emissionsbereich (13) auf einer Außenfläche (28) des Substrats (20) angeordnet ist, wobei das Substrat insbesondere ein semi-isolierendes Substrat ist.
Halbleiterbauteil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Mesakörpern (12) auf einem Grundkörper (11) mit einem Substrat (20) angeordnet ist.