EP4454080A1 - Halbleiterlaser und verfahren zur herstellung eines halbleiterlasers - Google Patents

Halbleiterlaser und verfahren zur herstellung eines halbleiterlasers

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EP4454080A1
EP4454080A1 EP22818068.3A EP22818068A EP4454080A1 EP 4454080 A1 EP4454080 A1 EP 4454080A1 EP 22818068 A EP22818068 A EP 22818068A EP 4454080 A1 EP4454080 A1 EP 4454080A1
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EP
European Patent Office
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active region
semiconductor laser
radiation
region
photonic crystal
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Pending
Application number
EP22818068.3A
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English (en)
French (fr)
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Hubert Halbritter
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Ams Osram International GmbH
Original Assignee
Ams Osram International GmbH
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Filing date
Publication date
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    • H01S5/32308—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm
    • H01S5/32341—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm blue laser based on GaN or GaP

Definitions

  • the present application relates to a semiconductor laser and a method for producing a semiconductor laser.
  • Semiconductor lasers can be used to generate laser radiation, in which the radiation propagating in the layer plane of the semiconductor material is deflected via a photonic crystal in a direction vertical to the layer plane.
  • Such semiconductor lasers are also referred to as PCSELs (Photonic Crystal Surface Emitting Lasers, i.e. surface-emitting lasers with photonic crystals).
  • semiconductor lasers Although such semiconductor lasers have good beam quality, they typically have a lower optical power density than edge-emitting semiconductor lasers, since the radiation exits through a larger emission area with the same operating current.
  • One object is to specify a semiconductor laser which, during operation, emits radiation with good beam quality and at the same time a high optical power density. Furthermore, a method is to be specified with which a semiconductor laser can be produced efficiently and reliably.
  • a semiconductor laser with a vertical emission direction is specified.
  • the radiation exits through a radiation exit surface of the semiconductor laser, which runs parallel to a layer plane of the semiconductor layers of the semiconductor laser.
  • the radiation is, for example, in the ultraviolet, visible or infrared spectral range.
  • the semiconductor laser has a first active region and a first photonic crystal.
  • the first radiation emitted in the first active region is partially deflected into the vertical emission direction by means of the first photonic crystal.
  • the first radiation propagates in a lateral direction in a first waveguide.
  • a photonic crystal is based in particular on interference and/or diffraction effects on a structure with a refractive index that changes periodically along one, two or three spatial directions.
  • the period is adapted to the wavelength of the radiation to be deflected.
  • the first active region is located between a first n-conducting semiconductor layer and a first p-conducting semiconductor layer, so that the first active region is arranged in a pn junction.
  • a first waveguide is formed by means of the first n-conducting semiconductor layer and the first p-conducting semiconductor layer, in which the first radiation propagates during operation of the semiconductor laser in a lateral direction, ie a direction perpendicular to the vertical emission direction.
  • Radiation propagating in the first waveguide can be coupled out in the vertical emission direction via the first photonic crystal.
  • the semiconductor laser has a second active region and a second photonic crystal.
  • second radiation emitted in the second active region is partially deflected into the vertical emission direction by means of the second photonic crystal.
  • the second radiation propagates in a lateral direction in a second waveguide.
  • the second active region is located between a second n-conducting semiconductor layer and a second p-conducting semiconductor layer, so that the second active region is arranged in a pn junction.
  • a second waveguide is formed by means of the second semiconductor layer and the second semiconductor layer, in which the second radiation propagates in the lateral direction during operation of the semiconductor laser. Radiation propagating in the second waveguide can be coupled out via the second photonic crystal in the vertical emission direction.
  • the first active area and/or second active area includes in particular a quantum structure.
  • quantum structure includes in particular any structure in which charge carriers can experience a quantization of their energy states by confinement.
  • quantum structure does not contain any information about the dimensionality of the quantization. It thus includes, inter alia, quantum wells, quantum wires, quantum rods and quantum dots and any combination of these structures.
  • the first active region and/or the second active region have a multi-quantum well (MQW) structure with a plurality of quantum layers and barrier layers arranged between the quantum layers.
  • MQW multi-quantum well
  • the active regions, the n-conducting semiconductor layers and the p-conducting semiconductor layers can each be formed in one layer or in multiple layers.
  • the semiconductor laser comprises a connection region which is arranged between the first active region and the second active region in the vertical emission direction.
  • the connection area connects in particular the first active area and the second active area to one another in an electrically conductive manner.
  • the connection area brings about complete or at least partial optical decoupling between the radiation propagating in the lateral direction in the first waveguide and in the second waveguide.
  • the connection area is located outside of the first and second waveguide.
  • the semiconductor laser with a vertical emission direction comprises a first active region and a first photonic crystal, first radiation emitted in the first active region during operation of the semiconductor laser being partially deflected into the vertical emission direction by means of the first photonic crystal.
  • the semiconductor laser comprises a second active region and a second photonic crystal, radiation emitted in the second active region during operation of the semiconductor laser being partially deflected into the vertical emission direction by means of the second photonic crystal.
  • a connection region of the semiconductor laser is arranged between the first active region and the second active region, the connection region electrically conductively connecting the first active region and the second active region to one another.
  • the first radiation propagates laterally in a first waveguide and the second radiation propagates laterally in a second waveguide.
  • the first active area and the second active area are therefore located one above the other.
  • the first radiation and the second radiation can thus emerge through the same radiation exit surface and in this case completely or at least partially overlap, so that the optical power density of the total emitted by the semiconductor laser radiation is increased, in particular with the same operation strom.
  • the first active area and the second active area can be located between a first contact and a second contact for the external electrical contacting of the semiconductor laser.
  • charge carriers can be injected into the first active region and the second active region and recombine with emission of first radiation or second radiation.
  • the semiconductor laser has exactly two contacts, ie the first contact and the second contact.
  • a third contact can be present, which makes electrical contact with the semiconductor laser between the first active region and the second active region.
  • the third contact is adjacent to the connection area.
  • the first active area and the second active area can be operated independently of one another and, for example, can be supplied with operating voltages that differ from one another.
  • a transmission direction of the first active region and a transmission direction of the second active region point in the same direction.
  • the first active area and the second active area are related to each other Forward direction parallel and not arranged antiparallel to each other.
  • the first n-conducting semiconductor layer is arranged on that side of the first active region which faces the radiation exit surface
  • the second n-conducting semiconductor layer is arranged on that side of the second active region which faces the radiation exit surface.
  • the first n-conducting semiconductor layer can be arranged on that side of the first active region which is remote from the radiation exit area and the second n-conducting semiconductor layer can be arranged on that side of the second active region which is remote from the radiation exit area.
  • the first active region and the second active region are of identical design. Equal in this context means that the semiconductor layers of the first active area and of the second active area differ from one another with regard to their layer thicknesses and their material composition at most within the scope of production-related fluctuations.
  • the first active region and the second active region are set up such that a peak wavelength of the first radiation and a peak wavelength of the second radiation do not differ from one another or differ only slightly, for example by at most 10 nm.
  • the first photonic crystal and the second photonic crystal are of identical design.
  • the semiconductor laser in particular in connection with a first active region and a second active region, which are designed in the same way, coupling, in particular mode locking, can be achieved between the first radiation and the second radiation.
  • the semiconductor laser as a whole can generate radiation with a particularly high level of efficiency.
  • the semiconductor laser can be designed in such a way that the first radiation and the second radiation differ from one another with regard to at least one property.
  • the first radiation and the second radiation differ from one another along the vertical emission direction with regard to their polarization direction.
  • the directions of polarization run perpendicularly or essentially perpendicularly to one another. The optical coupling between the first radiation and the second radiation can thus be minimized.
  • the first active region and the second active region differ from one another with regard to a material composition.
  • Different material compositions can be used to generate peak wavelengths that differ from one another for the first radiation and the second radiation.
  • different peak wavelengths can also be achieved by different layer thicknesses of the quantum layers in the active regions.
  • the first active area and the second active area are based on mutually different compound semiconductor material systems.
  • the first active region is based on a nitride compound semiconductor material and the second active region is based on an arsenide or phosphide compound semiconductor material, or vice versa.
  • a semiconductor laser can be achieved in which radiation components emerge from the same radiation exit area, which differ greatly from one another with regard to the peak wavelength.
  • the peak wavelength of the first radiation and the peak wavelength of the second radiation differ from one another by at least 20 nm or at least 50 nm or at least 100 nm.
  • nitride compound semiconductor material means in the present context that the semiconductor material, in particular of an active area, has or consists of a nitride compound semiconductor material, preferably Al x In y Gai- xy N, where 0 ⁇ x ⁇ 1.0 ⁇ y ⁇ 1 and x+y ⁇ 1 applies.
  • This material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it can, for example, have one or more dopants and additional components.
  • the above formula only includes these Essential components of the crystal lattice (Al, Ga, In, N), even if these can be partially replaced and/or supplemented by small amounts of other substances.
  • arsenide or phosphide compound semiconductor material means the semiconductor material, in particular of an active region Compound semiconductor material with arsenic and/or phosphorus as a group V element, preferably Al x In y Gai- xy P z Asi- z or consists of this, where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, x+y ⁇ 1 and 0 ⁇ z ⁇ 1 .
  • This material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it can have, for example, one or more dopants and additional components.
  • the above formula contains only the essential components of the crystal lattice (Al, Ga, In, P, As), even if these can be partially replaced and/or supplemented by small amounts of other substances.
  • the connection region is a tunnel junction.
  • the first active area and the second active area can be integrated into a common epitaxial semiconductor layer sequence via a tunnel junction, the tunnel junction bringing about an electrical series connection between the first active area and the second active area.
  • connection region has a TCO (transparent conductive oxide, “TCO” for short) material.
  • TCO transparent conductive oxide
  • Transparent, electrically conductive oxides are transparent, electrically conductive materials, usually metal oxides such as zinc oxide, tin oxide, cadmium oxide, titanium oxide, indium oxide, or indium tin oxide (ITO).
  • metal oxides such as zinc oxide, tin oxide, cadmium oxide, titanium oxide, indium oxide, or indium tin oxide (ITO).
  • binary metal oxygen compounds such as ZnO, SnO2 or In 2 03
  • ternary metal oxygen compounds such as Zn 2 SnO4 , CdSnOa, ZnSnOs, MgIn 2 O4 , GalnOs, Zn 2 In 2 O5 or In 4 Sn 3 0i 2 or Mixtures of different transparent conductive oxides to the group of TCOs.
  • the TCOs do not necessarily correspond to a stoichiometric composition and can also be p- or n-doped.
  • the first active region and the second active region can be integrated into the semiconductor laser via a TCO material and, in particular, electrically contacted together, although the first active region and the second active region are produced separately from one another during the manufacture of the semiconductor laser, for example epitaxially on separate growth substrates be deposited.
  • the first active region and the second active region can be based on the same semiconductor material system or on semiconductor material systems that are different from one another.
  • a reflector is arranged on a side of the first active region that is opposite the radiation exit surface.
  • the first active area and the second active area are located between the reflector and the radiation exit surface.
  • the reflector has a reflectivity of at least 90% or at least 95% or at least 99%.
  • the reflector can be designed as a Bragg reflector, as a metal reflector or as a combination thereof.
  • the reflectivity is, for example, at most 50% or at most 20% or at most 10%.
  • a standing wave field can form in the vertical emission direction.
  • the connection region is arranged in a minimum of the standing wave field. Such minima in a standing wave field are also referred to as nodes.
  • the distances between the first active area and the second active area and/or the distances between the first active area and the reflector of the semiconductor laser and/or the distance between the second active area and the reflector can be adapted for this purpose.
  • a method for producing a semiconductor laser is specified.
  • the method is particularly suitable for producing a semiconductor laser as described above.
  • Features described in connection with the semiconductor laser can therefore also be used for the method and vice versa.
  • the method comprises a step in which a first active region and a first photonic crystal are provided. Furthermore, the method comprises a step in which a second active area and a second photonic crystal are arranged on the first active area, with a connecting area being arranged between the first active area and the second active area. The connection area electrically conductively connects the first active area and the second active area to one another.
  • the first active area and the second active area are thus arranged stacked on top of one another along a vertical emission direction.
  • the second active region is deposited separately from the first active region on an initial carrier.
  • the starting support is, for example, a growth substrate for the epitaxial deposition of the second active region.
  • the second active area is attached to the first active area via the connection area.
  • the second active area is therefore not deposited on the same carrier on which the first active area was also deposited.
  • the starting support can thus be selected independently of the material of the first active region, for example with regard to a suitable crystal structure for the deposition of the second active region. Forming the second photonic crystal may occur before or after attaching the second active area to the first active area.
  • the initial carrier is removed before the second active area is attached to the first active area.
  • the second active area can be attached to the first active area in such a way that the side of the second active area originally facing the output carrier faces the first active area when attached to the first active area.
  • the second active region is attached to another carrier before the parent carrier is removed.
  • the additional carrier can therefore mechanically stabilize the second active area while it is attached to the first active area.
  • the connection area contains a TCO material.
  • a first sub-layer of the connection area is formed on the first active area and a second sub-layer of the connection area is formed on the second active area, so that when the second active area is arranged on the first active area, the first sub-layer and the second sub-layer are bonded to one another.
  • a direct bond connection is formed between the first partial layer and the second partial layer.
  • connection partners to be connected to one another ie for example the first partial layer and the second partial layer, are mechanically stably connected to one another via hydrogen bridge bonds or van der Waals interactions.
  • a bonding layer such as an adhesive layer is not required for this.
  • a direct bonding connection between two partial layers, each of which has a TCO material or consists of such a material, can form a mechanically stable, electrically conductive and, in particular, optically transparent connection in the visible spectral range.
  • first partial layer and/or the second partial layer can be planarized before bonding.
  • connection region is a tunnel junction, with the second active region being deposited on the tunnel junction.
  • the arrangement of the second active region on the first active region is therefore carried out by, in particular, epitaxial deposition of the second active region on the first active region.
  • the epitaxial deposition of the first active region and the second active region can therefore take place on the same growth substrate.
  • the second active region is deposited after the first photonic crystal has been formed.
  • the first photonic crystal and/or the second photonic crystal can be produced, for example, by means of a wet-chemical or dry-chemical etching process.
  • the semiconductor material structured in this way can be overgrown epitaxially to form the second active region.
  • the first active area is provided on a carrier and the carrier is removed after arranging the second active area on the first active area.
  • the carrier is a growth substrate for the epitaxial deposition of the first active region.
  • the carrier and/or the initial carrier can be removed, for example, by means of a laser detachment method (laser lift off, LLO), chemically, for example by means of electrochemical etching, and/or mechanically, for example by means of grinding or polishing.
  • LLO laser lift off
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a semiconductor laser in a schematic sectional view
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a semiconductor laser in a schematic sectional view
  • FIGS. 3A to 3G show an exemplary embodiment of a method for producing a semiconductor laser based on intermediate steps each shown in a schematic sectional view
  • FIGS. 4A to 4H show an exemplary embodiment of a method for producing a semiconductor laser using intermediate steps each shown in a schematic sectional view
  • FIGS. 5A to 5E show an exemplary embodiment of a method for producing a semiconductor laser with the aid of intermediate steps each shown in a schematic sectional view.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a semiconductor laser 1 with a vertical emission direction 11 .
  • the semiconductor laser 1 has a first active region 20 and a photonic crystal 25 .
  • the first radiation emitted in the first active region 20 is partially deflected into the vertical emission direction 11 by means of the first photonic crystal 25 .
  • the semiconductor laser also includes a second active region 30 and a second photonic crystal 35 , second radiation emitted in the second active region 30 during operation of the semiconductor laser being partially deflected into the vertical emission direction 11 by means of the second photonic crystal 35 .
  • a connecting region 4 of the semiconductor laser 1 is arranged between the first active region 20 and the second active region 30 , the connecting region 4 electrically conductively connecting the first active region 20 and the second active region 30 to one another.
  • the first active region 20 is located between a first n-type semiconductor layer 21 and a first p-type semiconductor layer 22 .
  • the first n-conducting semiconductor layer 21 and the first p-conducting semiconductor layer 22 are part of a first waveguide 2 in which the first radiation generated in the first active region 20 during operation propagates in the lateral direction, ie perpendicular to the vertical emission direction 11 .
  • the first photonic crystal 25 is located within the first waveguide 2 , so that the radiation propagating in the lateral direction interacts with the first photonic crystal and is deflected into the vertical emission direction 11 .
  • the second active region 30 is located between a second n-type layer 31 and a second p-type layer 32 .
  • a second waveguide 3 is formed by means of the second n-conducting layer 31 and the second p-conducting layer 32, in which the radiation generated in the second active region 30 propagates in the lateral direction.
  • the first photonic crystal 25 can be located entirely within or only partially within the first p-type semiconductor layer 22 or in the first n-type semiconductor layer 21 . However, the first photonic crystal 25 can also be located outside the first n-conducting semiconductor layer 21 and outside the first p-conducting semiconductor layer 22 as long as there is sufficient interaction between the first radiation propagating in the lateral direction in the first waveguide 2 and the first photonic crystal 25 consists .
  • the second photonic crystal 35 can be located entirely within or only partially within the second p-type semiconductor layer 32 or in the second n-type semiconductor layer 31 . However, the second photonic crystal 35 can also be located outside of the second n-type semiconductor layer 31 and outside of the second p-type semiconductor layer 32, as long as there is sufficient interaction between the second Waveguide 3 in the lateral direction propagating second radiation and the second photonic crystal 25 consists.
  • connection region 4 is located between the first waveguide 2 and the second waveguide 3 . This reduces the optical coupling between the first waveguide 2 and the second waveguide 3 .
  • the first active area 20 and the second active area 30 are each in their own waveguide.
  • the first active area 20 and the second active area 30 are located between a radiation exit surface 10 and a reflector 7 .
  • the reflector 7 is formed, for example, by a Bragg reflector, a metal reflector, or a combination thereof.
  • the reflector has a reflectivity of at least 90% or at least 95% or at least 99%.
  • no reflector is arranged on the side of the reflector 7 facing away from the first active region 20 .
  • an antireflection coating can be arranged on the radiation exit surface 10 to reduce the reflection (not explicitly shown in FIG. 1).
  • the radiation exit surface 10 is formed by a carrier 5 on which the first active region 20 is arranged.
  • the carrier is a growth substrate for the epitaxial deposition of the first active region 20 .
  • the carrier 5 is transparent to the first radiation and the second radiation.
  • a further carrier 51 is arranged on the side of the reflector 7 facing away from the radiation exit surface 10 .
  • the additional carrier 51 is located outside of the beam path of the first radiation and the second radiation and can therefore be selected largely independently of its optical properties, for example with regard to its electrical conductivity, processability or cost-effective availability.
  • a first contact 81 for the external electrical contacting of the semiconductor laser is arranged on the further carrier 51 .
  • the first contact 81 can extend over a large area or also over the entire area over the further carrier 51 .
  • a second contact 82 is arranged on the radiation exit surface 10 .
  • charge carriers can be injected from opposite sides into the first active region 20 and the second active region 30 and recombine there with emission of first radiation or second radiation.
  • the second contact 82 is ring-shaped or frame-shaped, for example.
  • the radiation exit surface 10 can be formed by a current spreading layer, which is arranged on the carrier 5 and is electrically conductively connected to the second contact 82 .
  • the current spreading layer contains a TCO material.
  • Such a current spreading layer can be arranged over a large area or also over the entire area on the radiation exit area 10 .
  • the reflector 7 is electrically conductively connected to the further carrier 51 via a joining layer 91 , for example a solder layer or an electrically conductive adhesive layer.
  • connection layer 33 is arranged between the second p-conducting semiconductor layer 32 and the reflector 7 .
  • the connection layer 33 can contain a semiconductor material or a TCO material.
  • the distance between the second active region 30 and the reflector 7 can be adjusted via the thickness of the connection layer 33 .
  • connection area 4 is preferably arranged in such a way that it is located in a minimum of the standing wave field.
  • connection area 4 can be a TCO material or a tunnel junction.
  • the first active region 20 and the second active region 30 are arranged parallel and not antiparallel to one another with respect to their forward direction.
  • An electrical series connection of the first active region 20 and the second active region 30 and a common electrical contact via the first contact 81 and the second contact 82 are simplified in this way.
  • the first n-conducting semiconductor layer 21 is arranged between the first active region 20 and the radiation exit surface 10 and the second n-conducting semiconductor layer 31 is between the second active region 30 and the radiation exit surface 10 is arranged.
  • these n-conducting semiconductor layers 21, 31 can also each be arranged on that side of the associated active region which is remote from the radiation exit surface.
  • a third contact can also be present, which makes electrical contact with the semiconductor laser 1 between the first active region 20 and the second active region 30 .
  • the active areas 20 , 30 can thus be controlled independently of one another and, for example, also be supplied with operating currents or operating voltages that differ from one another.
  • the first active region 20 and the second active region 30 can be of the same design, so that the peak wavelengths of the first radiation and the second radiation do not differ from one another, or differ only slightly. Furthermore, the first photonic crystal 25 and the second photonic crystal 35 can also be designed in the same way.
  • the first active region 20 and the second active region 30 can also differ from one another in a targeted manner, so that the first radiation and the second radiation have different peak wavelengths exhibit .
  • a semiconductor laser 1 can be provided in which radiation components with different peak wavelengths emerge from the same radiation exit surface 10, wherein the radiation components can exit the radiation exit surface 10 at least partially or completely overlapping.
  • the active regions 20, 30 are based on semiconductor material systems that are different from one another.
  • the first active region 20 can be based on a nitride compound semiconductor material and be provided for generating radiation in the ultraviolet or blue spectral range
  • the second active region 30 is based on arsenide or phosphide compound semiconductor material and is intended for generating radiation in the green, orange, red or infrared spectral range is provided.
  • the semiconductor laser 1 can be designed in such a way that the first radiation and the second radiation differ from one another along the vertical emission direction with regard to their polarization direction.
  • the first photonic crystal 25 and the second photonic crystal 35 can be structured in such a way that different preferred directions for the polarization are established for the first radiation and the second radiation.
  • the optical power density of the total radiation generated can be increased.
  • more than two active regions 20 , 30 can also be stacked one on top of the other along the vertical emission direction 11 .
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 2 essentially corresponds to the exemplary embodiment described in connection with FIG.
  • the carrier 5 has been removed, so that the radiation exit area 10 is formed by the first n-conducting semiconductor layer 21 .
  • the further carrier 51 acts as a mechanically stabilizing element of the semiconductor laser 1 .
  • the growth substrate on which the epitaxial deposition of the semiconductor layers of the first waveguide 2 took place is therefore no longer present in the semiconductor laser 1 .
  • a material that is not transparent to the radiation to be generated in the semiconductor laser 1 and/or is not electrically conductive can therefore also be used for the epitaxial deposition.
  • FIGS. 3A to 3G An exemplary embodiment of a method for producing a semiconductor laser is shown with reference to FIGS. 3A to 3G. For the sake of simplicity, only an area is shown from which a semiconductor laser 1 results during manufacture. With the method described, however, a large number of semiconductor lasers can be produced simultaneously and produced, for example, by subsequent separation.
  • a first active region 20 is provided on a carrier 5, for example a growth substrate.
  • the first active area 20 is located between a first n-type semiconductor layer 21 and a first p-type semiconductor layer 22 .
  • a first photonic crystal 25 is arranged in the first active region 20 .
  • the first photonic crystal 25 can be formed in the first p-type semiconductor layer 22 or outside of the second p-type semiconductor layer 22 .
  • a first partial layer 41 of a connection region formed in a later step is arranged on the first p-conducting semiconductor layer 22 .
  • a second active region 30 is formed on an output carrier 50 .
  • the starting carrier 50 is a growth substrate for the epitaxial deposition of the second active region 30 .
  • the second active region 30 is located between a second n-type semiconductor layer 31 and a second p-type semiconductor layer 32 .
  • a second photonic crystal 35 is assigned to the second active region 30 .
  • the second photonic crystal 35 can be formed entirely or partially in the second p-conducting semiconductor layer 32 or entirely or partially in a connection layer 33 arranged on the second p-conducting semiconductor layer 32 .
  • a reflector 7 is arranged on a side of the second active region 30 which is remote from the starting substrate 30 .
  • the first photonic crystal 25 and the second photonic crystal 35 are formed on that side of the associated first active region 20 or second active region 30 which is remote from the respective growth substrate. Both the first active region 20 and the second active region 30 are thus deposited on the respective growth substrate before the structuring for the formation of the respectively assigned photonic crystal takes place. A high crystal quality can thus be reliably achieved for both active regions 20 , 30 .
  • the reflector 7 is attached to a further carrier 51 via a bonding layer 91 .
  • the initial carrier 50 is removed, for example by dissolving a sacrificial layer 6 (compare FIG. 3B).
  • a second partial layer 42 of a connecting region is applied to the second n-conducting semiconductor layer 31 that has been exposed in this way (FIG. 3D).
  • the first active area 20 and the second active area 30 are attached to each other, with the first sub-layer 41 and the second sub-layer 42 facing each other and are attached to each other by a bonding method, for example direct bonding, so that a connection area 4 arises (Figure 3F).
  • a bonding method for example direct bonding
  • the first partial layer 41 and/or the second partial layer 42 can be planarized, for example by chemo-mechanical polishing.
  • the first active area 20 and the second active area 30 are arranged between a first contact 81 and a second contact 82 .
  • the first contact 81 and/or the second contact 82 can also be formed at an earlier stage of the method.
  • Figure 3G it is like this produced semiconductor laser 1 is shown, which is designed, for example, as described in connection with FIG.
  • FIGS. 4A to 4H A further exemplary embodiment of a method is illustrated schematically with reference to FIGS. 4A to 4H. This method essentially corresponds to the exemplary embodiment illustrated in connection with FIGS. 3A to 3G.
  • FIGS. 4A to 4F take place analogously to the intermediate steps according to FIGS. 3A to 3F.
  • a first contact 81 is then applied to the additional carrier 51 (FIG. 4G).
  • the carrier 5 is removed.
  • the second contact 82 is applied to the first n-conductive semiconductor layer 21 that has been exposed in this way (FIG. 4H).
  • both the first active area 20 and the second active area 30 are separated from their original growth substrate.
  • Both growth substrates can thus be selected independently of their optical properties and their electrical properties.
  • sapphire can be used as a growth substrate for active regions based on nitride compound semiconductor material.
  • FIGS. 5A to 5E Another exemplary embodiment of a method for producing a semiconductor laser is shown schematically with reference to FIGS. 5A to 5E.
  • This exemplary embodiment differs from the two preceding exemplary embodiments in particular in that the first active region 20 and the second active region 30 are not produced separately from one another on different carriers and are subsequently connected to one another.
  • the first active region 20, the first n-conducting semiconductor layer 21 and the first p-conducting semiconductor layer 22 are epitaxially deposited on a carrier 5, for example a growth substrate.
  • the first p-conducting semiconductor layer 22 is structured to form a first photonic crystal 25, for example by a wet-chemical or dry-chemical etching process.
  • the first photonic crystal 25 is subsequently epitaxially overgrown to form a connection region 4 and a second active region 30 (FIG. 5C).
  • the connecting region 4 is a tunnel junction, in which a first partial layer 41 and a second partial layer 42 are each highly doped semiconductor layers with conductivity types opposite to one another.
  • a doping concentration of the first partial layer 41 and/or the second partial layer 42 is at least 1*10 19 cm -3 or at least 1*10 20 cm -3
  • the active regions 20, 30 can be electrically connected to one another in series via this tunnel junction.
  • connection layer 33 and a reflector 7 applied.
  • the reflector 7 is attached to a further carrier 51 via a bonding layer 91 .
  • the carrier 5 is removed and the first contact 81 and the second contact 82 are applied.
  • the semiconductor laser thus completed is shown in FIG. 5E.
  • the carrier 5 can also remain in the semiconductor laser 1 analogously to FIG.
  • active regions can be stacked one on top of the other along the vertical emission direction in a reliable manner, as a result of which a semiconductor laser with increased optical power density can be reliably produced.

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Abstract

Es wird ein Halbleiterlaser (1) mit einer vertikalen Emissionsrichtung (11) angegeben, umfassend: - einen ersten aktiven Bereich (20) und einen ersten photonischen Kristall (25), wobei im Betrieb des Halbleiterlasers (1) im ersten aktiven Bereich (20) emittierte erste Strahlung teilweise mittels des ersten photonischen Kristalls (25) in die vertikale Emissionsrichtung umgelenkt wird; - einen zweiten aktiven Bereich (30) und einen zweiten photonischen Kristall (35), wobei im Betrieb des Halbleiterlasers (1) im zweiten aktiven Bereich (30) emittierte zweite Strahlung teilweise mittels des zweiten photonischen Kristalls (35) in die vertikale Emissionsrichtung (11) umgelenkt wird; und - einen Verbindungsbereich (4), der in der vertikalen Emissionsrichtung (11) zwischen dem ersten aktiven Bereich (20) und dem zweiten aktiven Bereich (30) angeordnet ist und den ersten aktiven Bereich (20) und den zweiten aktiven Bereich (30) elektrisch leitend miteinander verbindet. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers (1) angegeben.

Description

Beschreibung
HALBLEITERLASER UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES HALBLE I TERLASERS
Die vorliegende Anmeldung betri f ft einen Halbleiterlaser und ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers .
Für die Erzeugung von Laserstrahlung können Halbleiterlaser Anwendung finden, bei denen die in der Schichtebene des Halbleitermaterials propagierende Strahlung über einen photonischen Kristall in eine zur Schichtebene vertikale Richtung umgelenkt wird . Solche Halbleiterlaser werden auch als PCSEL ( Photonic Crystal Surface Emitting Laser, also oberflächenemittierende Laser mit photonischem Kristall ) bezeichnet .
Solche Halbleiterlaser weisen zwar eine gute Strahlqualität , j edoch typischerweise eine geringere optische Leistungsdichte auf als kantenemittierende Halbleiterlaser, da die Strahlung bei gleichem Betriebsstrom durch eine größere Emissions fläche austritt .
Eine Aufgabe ist es , einen Halbleiterlaser anzugeben, der im Betrieb Strahlung mit guter Strahlqualität und gleichzeitig einer hohen optischen Leistungsdichte emittiert . Weiterhin soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem ein Halbleiterlaser ef fi zient und zuverlässig hergestellt werden kann .
Diese Aufgaben werden unter anderem durch einen Halbleiterlaser beziehungsweise ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst . Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche .
Es wird ein Halbleiterlaser mit einer vertikalen Emissionsrichtung angegeben . Im Betrieb des Halbleiterlasers tritt die Strahlung also durch eine Strahlungsaustritts fläche des Halbleiterlasers aus , die parallel zu einer Schichtebene der Halbleiterschichten des Halbleiterlasers verläuft . Die Strahlung liegt beispielsweise im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Halbleiterlasers weist der Halbleiterlaser einen ersten aktiven Bereich und einen ersten photonischen Kristall auf .
Im Betrieb des Halbleiterlasers wird im ersten aktiven Bereich emittierte erste Strahlung teilweise mittels des ersten photonischen Kristalls in die vertikale Emissionsrichtung umgelenkt . Insbesondere propagiert die erste Strahlung in einer lateralen Richtung in einem ersten Wellenleiter .
Ein photonischer Kristall basiert insbesondere auf Interferenz- und/oder Beugungsef fekten an einer Struktur mit einem sich entlang einer, zwei oder drei Raumrichtungen periodisch ändernden Brechungsindexverlauf . Die Periode ist hierbei an die Wellenlänge der umzulenkenden Strahlung angepasst .
Beispielsweise befindet sich der erste aktive Bereich zwischen einer ersten n-leitenden Halbleiterschicht und einer ersten p-leitenden Halbleiterschicht , sodass der erste aktive Bereich in einem pn-Übergang angeordnet ist . Beispielsweise ist mittels der ersten n-leitenden Halbleiterschicht und der ersten p-leitenden Halbleiterschicht ein erster Wellenleiter gebildet , in dem die erste Strahlung im Betrieb des Halbleiterlasers in einer lateralen Richtung, also einer senkrecht zur vertikalen Emissionsrichtung verlaufenden Richtung propagiert .
In dem ersten Wellenleiter propagierende Strahlung kann über den ersten photonischen Kristall in die vertikale Emissionsrichtung ausgekoppelt werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Halbleiterlasers weist der Halbleiterlaser einen zweiten aktiven Bereich und einen zweiten photonischen Kristall auf .
Im Betrieb des Halbleiterlasers wird im zweiten aktiven Bereich emittierte zweite Strahlung teilweise mittels des zweiten photonischen Kristalls in die vertikale Emissionsrichtung umgelenkt . Insbesondere propagiert die zweite Strahlung in einer lateralen Richtung in einem zweiten Wellenleiter .
Beispielsweise befindet sich der zweite aktive Bereich zwischen einer zweiten n-leitenden Halbleiterschicht und einer zweiten p-leitenden Halbleiterschicht , sodass der zweite aktive Bereich in einem pn-Übergang angeordnet ist .
Beispielsweise ist mittels der zweiten Halbleiterschicht und der zweiten Halbleiterschicht ein zweiter Wellenleiter gebildet , in dem die zweite Strahlung im Betrieb des Halbleiterlasers in der lateralen Richtung propagiert . In dem zweiten Wellenleiter propagierende Strahlung kann über den zweiten photonischen Kristall in die vertikale Emissionsrichtung ausgekoppelt werden .
Der erste aktive Bereich und/oder zweite aktive Bereich umfasst insbesondere eine Quantenstruktur .
Die Bezeichnung Quantenstruktur umfasst im Rahmen der Anmeldung insbesondere j egliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss ( " confinement" ) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren können . Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantenstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung . Sie umfasst somit unter anderem Quantentöpfe ( quantum wells ) , Quantendrähte ( quantum wires ) , Quantenstäbchen ( quantum rods ) und Quantenpunkte ( quantum dots ) und j ede Kombination dieser Strukturen . Beispielsweise weisen der erste aktive Bereich und/oder der zweite aktive Bereich eine Mehrfachquantentopf (Multi Quantum Well , MQW) -Struktur mit einer Mehrzahl von Quantenschichten und zwischen den Quantenschichten angeordneten Barriereschichten auf .
Die aktiven Bereiche , die n-leitenden Halbleiterschichten und die p-leitenden Halbleiterschichten können j eweils einschichtig oder mehrschichtig ausgebildet sein .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Halbleiterlasers umfasst der Halbleiterlaser einen Verbindungsbereich, der in der vertikalen Emissionsrichtung zwischen dem ersten aktiven Bereich und dem zweiten aktiven Bereich angeordnet ist . Der Verbindungsbereich verbindet insbesondere den ersten aktiven Bereich und den zweiten aktiven Bereich elektrisch leitend miteinander . Beispielsweise bewirkt der Verbindungsbereich eine vollständige oder zumindest teilweise optische Entkopplung zwischen der im ersten Wellenleiter und der im zweiten Wellenleiter in lateraler Richtung propagierenden Strahlung . Insbesondere befindet sich der Verbindungsbereich außerhalb des ersten und zweiten Wellenleiters .
In mindestens einer Aus führungs form umfasst der Halbleiterlaser mit einer vertikalen Emissionsrichtung einen ersten aktiven Bereich und einen ersten photonischen Kristall , wobei im Betrieb des Halbleiterlasers im ersten aktiven Bereich emittierte erste Strahlung teilweise mittels des ersten photonischen Kristalls in die vertikale Emissionsrichtung umgelenkt wird . Der Halbleiterlaser umfasst einen zweiten aktiven Bereich und einen zweiten photonischen Kristall , wobei im Betrieb des Halbleiterlasers im zweiten aktiven Bereich emittierte Strahlung teilweise mittels des zweiten photonischen Kristalls in die vertikale Emissionsrichtung umgelenkt wird . Zwischen dem ersten aktiven Bereich und dem zweiten aktiven Bereich ist ein Verbindungsbereich des Halbleiterlasers angeordnet , wobei der Verbindungsbereich den ersten aktiven Bereich und den zweiten aktiven Bereich elektrisch leitend miteinander verbindet . Insbesondere propagiert die erste Strahlung in lateraler Richtung in einem ersten Wellenleiter und die zweite Strahlung propagiert in lateraler Richtung in einem zweiten Wellenleiter .
Entlang der vertikalen Emissionsrichtung gesehen befinden sich also der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich übereinander . Die erste Strahlung und die zweite Strahlung können also durch dieselbe Strahlungsaustritts fläche austreten und hierbei vollständig oder zumindest teilweise überlappen, sodass die optische Leistungsdichte der insgesamt vom Halbleiterlaser emittierten Strahlung erhöht wird, insbesondere bei demselben Betriebs ström .
Entlang der vertikalen Emissionsrichtung gesehen können sich der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich zwischen einem ersten Kontakt und einem zweiten Kontakt für die externe elektrische Kontaktierung des Halbleiterlasers befinden . Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem ersten Kontakt und dem zweiten Kontakt können Ladungsträger in den ersten aktiven Bereich und den zweiten aktiven Bereich inj i ziert werden und unter Emission von erster Strahlung beziehungsweise zweiter Strahlung rekombinieren .
Beispielsweise weist der Halbleiterlaser genau zwei Kontakte , also den ersten Kontakt und den zweiten Kontakt , auf .
Davon abweichend kann ein dritter Kontakt vorhanden sein, der den Halbleiterlaser zwischen dem ersten aktiven Bereich und dem zweiten aktiven Bereich elektrisch kontaktiert . Beispielsweise grenzt der dritte Kontakt an den Verbindungsbereich an . Mittels eines solchen dritten Kontakts können der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich unabhängig voneinander betrieben und beispielsweise mit voneinander verschiedenen Betriebsspannungen versorgt werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Halbleiterlasers zeigen eine Durchlassrichtung des ersten aktiven Bereichs und eine Durchlassrichtung des zweiten aktiven Bereichs in dieselbe Richtung . Mit anderen Worten, sind der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich bezüglich ihrer Durchlassrichtung parallel und nicht antiparallel zueinander angeordnet . Beispielsweise ist die erste n-leitende Halbleiterschicht auf der der Strahlungsaustritts fläche zugewandten Seite des ersten aktiven Bereichs und die zweite n-leitende Halbleiterschicht auf der der Strahlungsaustritts fläche zugewandten Seite des zweiten aktiven Bereichs angeordnet . Alternativ kann die erste n- leitende Halbleiterschicht auf der der Strahlungsaustritts fläche abgewandten Seite des ersten aktiven Bereichs und die zweite n-leitende Halbleiterschicht auf der der Strahlungsaustritts fläche abgewandten Seite des zweiten aktiven Bereichs angeordnet sein .
Eine elektrische Serienverschaltung des ersten aktiven Bereichs und des zweiten aktiven Bereichs ist so vereinfacht erzielbar . Insbesondere bei Vorhandensein eines dritten Kontakts können die Durchlassrichtung des ersten aktiven Bereichs und die Durchlassrichtung des zweiten aktiven Bereichs aber auch antiparallel zueinander verlaufen .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Halbleiterlasers sind der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich gleichartig ausgebildet . Gleichartig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich die Halbleiterschichten des ersten aktiven Bereichs und des zweiten aktiven Bereichs hinsichtlich ihrer Schichtdicken und ihrer Material zusammensetzung allenfalls im Rahmen von fertigungsbedingten Schwankungen voneinander unterscheiden . Insbesondere sind der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich dazu eingerichtet , dass sich eine Peakwellenlänge der ersten Strahlung und eine Peakwellenlänge der zweiten Strahlung nicht oder nur geringfügig, beispielsweise um höchstens 10 nm, voneinander unterscheiden . Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Halbleiterlasers sind der erste photonische Kristall und der zweite photonische Kristall gleichartig ausgebildet . Insbesondere in Verbindung mit einem ersten aktiven Bereich und einem zweiten aktiven Bereich, die gleichartig ausgebildet sind, kann so eine Kopplung, insbesondere eine Modenkopplung ( englisch : mode locking) , zwischen der ersten Strahlung und der zweiten Strahlung erzielt werden . Dadurch kann der Halbleiterlaser insgesamt Strahlung mit einer besonders hohen Ef fi zienz erzeugen . Dies ist j edoch nicht zwingend erforderlich . Alternativ kann der Halbleiterlaser gezielt so ausgebildet sein, dass sich die erste Strahlung und die zweite Strahlung hinsichtlich zumindest einer Eigenschaft voneinander unterscheiden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Halbleiterlasers unterscheiden sich die erste Strahlung und die zweite Strahlung entlang der vertikalen Emissionsrichtung bezüglich ihrer Polarisationsrichtung voneinander . Beispielsweise verlaufen die Polarisationsrichtungen senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zueinander . Die optische Kopplung zwischen der ersten Strahlung und der zweiten Strahlung kann so minimiert werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Halbleiterlasers unterscheiden sich der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich bezüglich einer Material zusammensetzung voneinander . Durch unterschiedliche Material zusammensetzungen können für die erste Strahlung und die zweite Strahlung voneinander verschiedene Peakwellenlängen erzeugt werden . Alternativ oder ergänzend können unterschiedliche Peakwellenlängen auch durch unterschiedliche Schichtdicken der Quantenschichten in den aktiven Bereichen erzielt werden . Beispielsweise basieren der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich auf voneinander verschiedenen Verbindungshalbleitermaterial Systemen .
Zum Beispiel basiert der erste aktive Bereich auf einem Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial und der zweite aktive Bereich auf einem Arsenid- oder Phosphid- Verbindungshalbleitermaterial oder umgekehrt . Dadurch kann ein Halbleiterlaser erzielt werden, bei dem aus derselben Strahlungsaustritts fläche Strahlungsanteile austreten, die sich in Bezug auf die Peakwellenlänge vergleichsweise stark voneinander unterscheiden . Beispielsweise unterscheiden sich die Peakwellenlänge der ersten Strahlung und die Peakwellenlänge der zweiten Strahlung um mindestens 20 nm oder mindestens 50 nm oder mindestens 100 nm voneinander .
Auf „Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass das Halbleitermaterial , insbesondere eines aktiven Bereichs , ein Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial , vorzugsweise AlxInyGai-x-yN aufweist oder aus diesem besteht , wobei 0 < x < 1 , 0 < y < 1 und x + y < 1 gilt . Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen . Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstof fe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen . Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel j edoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al , Ga, In, N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stof fe ersetzt und/oder ergänzt sein können .
Auf „Arsenid- oder Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, das Halbleitermaterial , insbesondere eines aktiven Bereichs , ein Verbindungshalbleitermaterial mit Arsen und/oder Phosphor als Gruppe-V-Element aufweist , vorzugsweise AlxInyGai-x-yPzAsi-z aufweist oder aus diesem besteht , wobei 0 < x < 1 , 0 < y < 1 , x +y < 1 und 0 < z < 1 . Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen . Vielmehr kann es beispielsweise ein oder mehrere Dotierstof fe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen . Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel j edoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al , Ga, In, P, As ) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stof fe ersetzt und/oder ergänzt sein können .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Halbleiterlasers ist der Verbindungsbereich ein Tunnelübergang . Über einen Tunnelübergang können der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich in eine gemeinsame epitaktische Halbleiterschichtenfolge integriert werden, wobei der Tunnelübergang eine elektrische Serienverschaltung zwischen dem ersten aktiven Bereich und dem zweiten aktiven Bereich bewirkt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Halbleiterlasers weist der Verbindungsbereich ein TCO ( transparent conductive oxide , kurz „TCO" ) -Material auf .
Transparente , elektrisch leitende Oxide sind transparente , elektrisch leitende Materialien, in der Regel Metalloxide , wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid, Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid ( ITO) . Neben binären Metallsauerstof fverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SnO2 oder In203 gehören auch ternäre Metallsauerstof fverbindungen, wie beispielsweise Zn2SnO4 , CdSnOa, ZnSnOs, MgIn2O4 , GalnOs, Zn2In2O5 oder In4Sn30i2 oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs . Weiterhin kann es möglich sein, dass die TCOs nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung entsprechen und auch p- oder n-dotiert sein können .
Über ein TCO-Material können der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich in den Halbleiterlaser integriert und insbesondere gemeinsam elektrisch kontaktiert werden, obwohl der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich bei der Herstellung des Halbleiterlasers separat voneinander hergestellt , beispielsweise auf getrennten Aufwachssubstraten epitaktisch abgeschieden werden .
Der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich können hierbei auf demselben Halbleitermaterialsystem oder auf voneinander verschiedenen Halbleitermaterialsystemen basieren .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Halbleiterlasers ist auf einer der Strahlungsaustritts fläche gegenüber liegenden Seite des ersten aktiven Bereichs ein Reflektor angeordnet . Insbesondere befinden sich der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich zwischen dem Reflektor und der Strahlungsaustritts fläche . Beispielsweise weist der Reflektor eine Ref lektivität von mindestens 90 % oder mindestens 95 % oder mindestens 99 % auf . Der Reflektor kann als Bragg-Ref lektor , als Metallreflektor oder als eine Kombination davon ausgebildet sein . An der Strahlungsaustritts fläche beträgt die Ref lektivität beispielsweise höchstens 50% oder höchstens 20% oder höchstens 10% .
Im Betrieb des Halbleiterlasers kann sich in der vertikalen Emissionsrichtung ein Stehwellenfeld ausbilden . Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Halbleiterlasers ist der Verbindungsbereich in einem Minimum des Stehwellenfelds angeordnet ist . Derartige Minima in einem Stehwellenfeld werden auch als Knoten bezeichnet .
Absorptionsverluste innerhalb des Verbindungsbereichs können so minimiert werden . Hierfür können die Abstände zwischen dem ersten aktiven Bereich und dem zweiten aktiven Bereich und/oder die Abstände zwischen dem ersten aktiven Bereich und dem Reflektor des Halbleiterlasers und/oder der Abstand zwischen dem zweiten aktiven Bereich und dem Reflektor angepasst sein .
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers angegeben . Das Verfahren eignet sich insbesondere für die Herstellung eines vorstehend beschriebenen Halbleiterlasers . Im Zusammenhang mit dem Halbleiterlaser beschriebene Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt .
In mindestens einer Aus führungs form des Verfahrens umfasst das Verfahren einen Schritt , in dem ein erster aktiver Bereich und ein erster photonischer Kristall bereitgestellt werden . Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt , in dem ein zweiter aktiver Bereich und ein zweiter photonischer Kristall auf dem ersten aktiven Bereich angeordnet werden, wobei zwischen dem ersten aktiven Bereich und dem zweiten aktiven Bereich ein Verbindungsbereich angeordnet ist . Der Verbindungsbereich verbindet den ersten aktiven Bereich und den zweiten aktiven Bereich elektrisch leitend miteinander .
Der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich werden also entlang einer vertikalen Emissionsrichtung übereinander gestapelt angeordnet . Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird der zweite aktive Bereich separat vom ersten aktiven Bereich auf einem Ausgangsträger abgeschieden . Der Ausgangsträger ist beispielsweise ein Aufwachssubstrat für die epitaktische Abscheidung des zweiten aktiven Bereichs . Beim Anordnen auf dem ersten aktiven Bereich wird der zweite aktive Bereich über den Verbindungsbereich an dem ersten aktiven Bereich befestigt . Der zweite aktive Bereich wird also nicht auf demselben Träger abgeschieden, auf dem auch der erste aktive Bereich abgeschieden worden ist . Der Ausgangsträger kann also unabhängig von dem Material des ersten aktiven Bereichs beispielsweise im Hinblick auf eine geeignete Kristallstruktur für die Abscheidung des zweiten aktiven Bereichs gewählt werden . Das Ausbilden des zweiten photonischen Kristalls kann vor oder nach dem Befestigen des zweiten aktiven Bereichs am ersten aktiven Bereich erfolgen .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird der Ausgangsträger entfernt , bevor der zweite aktive Bereich an dem ersten aktiven Bereich befestigt wird . Der zweite aktive Bereich kann so an dem ersten aktiven Bereich derart befestigt werden, dass die ursprünglich dem Ausgangsträger zugewandte Seite des zweiten aktiven Bereichs beim Befestigen an dem ersten aktiven Bereich dem ersten aktiven Bereich zugewandt ist .
Beispielsweise wird der zweite aktive Bereich an einem weiteren Träger befestigt , bevor der Ausgangsträger entfernt wird . Der weitere Träger kann also den zweiten aktiven Bereich mechanisch stabilisieren, während er an dem ersten aktiven Bereich befestigt wird . Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens enthält der Verbindungsbereich ein TCO-Material . Insbesondere werden eine erste Teilschicht des Verbindungsbereichs auf dem ersten aktiven Bereich und eine zweite Teilschicht des Verbindungsbereichs auf dem zweiten aktiven Bereich ausgebildet , sodass beim Anordnen des zweiten aktiven Bereichs auf dem ersten aktiven Bereich die erste Teilschicht und die zweite Teilschicht aneinander gebondet werden . Beispielsweise wird zwischen der ersten Teilschicht und der zweiten Teilschicht eine direkte Bondverbindung ausgebildet .
Bei einer direkten Bondverbindung werden die miteinander zu verbindenden Verbindungspartner, also beispielsweise die erste Teilschicht und die zweite Teilschicht , über Wasserstof fbrücken-Bindungen oder van-der-Waals- Wechselwirkungen mechanisch stabil miteinander verbunden . Eine Fügeschicht wie beispielsweise eine Klebeschicht ist hierfür nicht erforderlich .
Durch eine direkte Bondverbindung zwischen zwei Teilschichten, die j eweils ein TCO-Material aufweisen oder aus einem solchen Material bestehen, kann eine mechanisch stabile , elektrisch leitende und insbesondere im sichtbaren Spektralbereich optisch durchlässige Verbindung gebildet werden .
Erforderlichenfalls können die erste Teilschicht und/oder die zweite Teilschicht vor dem Bonden planarisiert werden .
Grundsätzlich können aber auch andere elektrisch leitfähige Arten einer Verbindung hergestellt werden, solange die Verbindung eine hinreichende optische Transmission für die im Halbleiterlaser zu erzeugende Strahlung aufweist . Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens ist der Verbindungsbereich ein Tunnelübergang, wobei der zweite aktive Bereich auf dem Tunnelübergang abgeschieden wird . Das Anordnen des zweiten aktiven Bereichs auf dem ersten aktiven Bereich erfolgt in diesem Fall also durch eine insbesondere epitaktische Abscheidung des zweiten aktiven Bereichs auf dem ersten aktiven Bereich . Die epitaktische Abscheidung des ersten aktiven Bereichs und des zweiten aktiven Bereichs kann also auf demselben Aufwachssubstrat erfolgen .
Insbesondere erfolgt die Abscheidung des zweiten aktiven Bereichs nach dem Ausbilden des ersten photonischen Kristalls .
Der erste photonische Kristall und/oder der zweite photonische Kristall können beispielsweise mittels eines nasschemischen oder trockenchemischen Ätzverfahrens hergestellt werden .
Nach dem Ätzen kann das so strukturierte Halbleitermaterial zur Ausbildung des zweiten aktiven Bereichs epitaktisch überwachsen werden .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form des Verfahrens wird der erste aktive Bereich auf einem Träger bereitgestellt und der Träger wird nach dem Anordnen des zweiten aktiven Bereichs auf dem ersten aktiven Bereich entfernt . Beispielsweise ist der Träger ein Aufwachssubstrat für die epitaktische Abscheidung des ersten aktiven Bereichs . Das Entfernen des Trägers und/oder des Ausgangsträgers kann beispielsweise mittels eines Laserablöseverfahrens ( Laser Li ft Of f , LLO) , chemisch, etwa mittels elektrochemischen Ätzens , und/oder mechanisch, etwa mittels Schlei fens oder Polierens erfolgen . Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Aus führungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren .
Es zeigen :
Figur 1 ein Aus führungsbeispiel für einen Halbleiterlaser in schematischer Schnittansicht ;
Figur 2 ein Aus führungsbeispiel für einen Halbleiterlaser in schematischer Schnittansicht ; die Figuren 3A bis 3G ein Aus führungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers anhand von j eweils in schematischer Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten; die Figuren 4A bis 4H ein Aus führungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers anhand von j eweils in schematischer Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten; und die Figuren 5A bis 5E ein Aus führungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers anhand von j eweils in schematischer Schnittansicht dargestellten Z wischen schritten .
Gleiche , gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugs zeichen versehen .
Die Figuren sind j eweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu . Vielmehr können einzelne Elemente und insbesondere Schichtdicken zum verbesserten Verständnis oder zur besseren Darstellbarkeit übertrieben groß dargestellt sein .
In Figur 1 ist ein Aus führungsbeispiel für einen Halbleiterlaser 1 mit vertikaler Emissionsrichtung 11 gezeigt . Der Halbleiterlaser 1 weist einen ersten aktiven Bereich 20 und einen photonischen Kristall 25 auf . Im Betrieb des Halbleiterlasers 1 wird im ersten aktiven Bereich 20 emittierte erste Strahlung teilweise mittels des ersten photonischen Kristalls 25 in die vertikale Emissionsrichtung 11 umgelenkt .
Der Halbleiterlaser umfasst weiterhin einen zweiten aktiven Bereich 30 und einen zweiten photonischen Kristall 35 , wobei im Betrieb des Halbleiterlasers im zweiten aktiven Bereich 30 emittierte zweite Strahlung teilweise mittels des zweiten photonischen Kristalls 35 in die vertikale Emissionsrichtung 11 umgelenkt wird . Zwischen dem ersten aktiven Bereich 20 und dem zweiten aktiven Bereich 30 ist ein Verbindungsbereich 4 des Halbleiterlasers 1 angeordnet , wobei der Verbindungsbereich 4 den ersten aktiven Bereich 20 und den zweiten aktiven Bereich 30 elektrisch leitend miteinander verbindet .
Der erste aktive Bereich 20 befindet sich zwischen einer ersten n-leitenden Halbleiterschicht 21 und einer ersten p- leitenden Halbleiterschicht 22 . Die erste n-leitende Halbleiterschicht 21 und die erste p-leitende Halbleiterschicht 22 sind Teil eines ersten Wellenleiters 2 , in dem die im ersten aktiven Bereich 20 im Betrieb erzeugte erste Strahlung in lateraler Richtung, also senkrecht zur vertikalen Emissionsrichtung 11 , propagiert . Innerhalb des ersten Wellenleiters 2 befindet sich der erste photonische Kristall 25 , sodass die in lateraler Richtung propagierende Strahlung mit dem ersten photonischen Kristall wechselwirkt und in die vertikale Emissionsrichtung 11 umgelenkt wird .
Entsprechend befindet sich der zweite aktive Bereich 30 zwischen einer zweiten n-leitenden Schicht 31 und einer zweiten p-leitenden Schicht 32 . Mittels der zweiten n- leitenden Schicht 31 und der zweiten p-leitenden Schicht 32 ist ein zweiter Wellenleiter 3 gebildet , in dem die im zweiten aktiven Bereich 30 erzeugte Strahlung in lateraler Richtung propagiert .
Der erste photonische Kristall 25 kann sich vollständig innerhalb oder nur zum Teil in der ersten p-leitenden Halbleiterschicht 22 oder in der ersten n-leitenden Halbleiterschicht 21 befinden . Der erste photonische Kristall 25 kann sich j edoch auch außerhalb der ersten n-leitenden Halbleiterschicht 21 und außerhalb der ersten p-leitenden Halbleiterschicht 22 befinden, solange eine hinreichende Wechselwirkung zwischen der im ersten Wellenleiter 2 in lateraler Richtung propagierenden ersten Strahlung und dem ersten photonischen Kristall 25 besteht .
Der zweite photonische Kristall 35 kann sich vollständig innerhalb oder nur zum Teil in der zweiten p-leitenden Halbleiterschicht 32 oder in der zweiten n-leitenden Halbleiterschicht 31 befinden . Der zweite photonische Kristall 35 kann sich j edoch auch außerhalb der zweiten n- leitenden Halbleiterschicht 31 und außerhalb der zweiten p- leitenden Halbleiterschicht 32 befinden, solange eine hinreichende Wechselwirkung zwischen der im zweiten Wellenleiter 3 in lateraler Richtung propagierenden zweiten Strahlung und dem zweiten photonischen Kristall 25 besteht .
Zwischen dem ersten Wellenleiter 2 und dem zweiten Wellenleiter 3 befindet sich der Verbindungsbereich 4 . Dadurch wird die optische Kopplung zwischen dem ersten Wellenleiter 2 und dem zweiten Wellenleiter 3 verringert . Der erste aktive Bereich 20 und der zweite aktive Bereich 30 befinden sich also j eweils in einem eigenen Wellenleiter .
Entlang der vertikalen Emissionsrichtung 11 gesehen, befinden sich der erste aktive Bereich 20 und der zweiten aktive Bereich 30 zwischen einer Strahlungsaustritts fläche 10 und einem Reflektor 7 . Der Reflektor 7 ist beispielsweise durch einen Bragg-Ref lektor , einen Metallreflektor oder eine Kombination davon gebildet . Beispielsweise weist der Reflektor eine Ref lektivität von mindestens 90 % oder mindestens 95 % oder mindestens 99 % auf . Auf der dem ersten aktiven Bereich 20 abgewandten Seite des Reflektors 7 ist vorzugsweise kein Reflektor angeordnet . Optional kann zur Verringerung der Reflexion an der Strahlungsausritts fläche 10 eine Antireflexbeschichtung angeordnet sein ( in Figur 1 nicht expli zit gezeigt ) .
In dem gezeigten Aus führungsbeispiel ist die Strahlungsaustritts fläche 10 durch einen Träger 5 gebildet , auf dem der erste aktive Bereich 20 angeordnet ist . Beispielsweise handelt es sich bei dem Träger um ein Aufwachssubstrat für die epitaktische Abscheidung des ersten aktiven Bereichs 20 .
Der Träger 5 ist für die erste Strahlung und die zweite Strahlung durchlässig . Auf der der Strahlungsaustritts fläche 10 abgewandten Seite des Reflektors 7 ist ein weiterer Träger 51 angeordnet . Der weitere Träger 51 befindet sich außerhalb des Strahlenpfads der ersten Strahlung und der zweiten Strahlung und kann daher weitgehend unabhängig von seinen optischen Eigenschaften gewählt werden, beispielsweise im Hinblick auf seine elektrische Leitfähigkeit , Verarbeitbarkeit oder auf kostengünstige Verfügbarkeit .
Auf dem weiteren Träger 51 ist ein erster Kontakt 81 für die externe elektrische Kontaktierung des Halbleiterlasers angeordnet . Der erste Kontakt 81 kann sich groß flächig oder auch voll flächig über den weiteren Träger 51 erstrecken .
Auf der Strahlungsaustritts fläche 10 ist ein zweiter Kontakt 82 angeordnet . Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem ersten Kontakt 81 und dem zweiten Kontakt 82 können Ladungsträger von entgegengesetzten Seiten in den ersten aktiven Bereich 20 und den zweiten aktiven Bereich 30 inj i ziert werden und dort unter Emission von erster Strahlung beziehungsweise zweiter Strahlung rekombinieren .
Der zweite Kontakt 82 ist beispielsweise ringförmig oder rahmenförmig ausgebildet . Für eine verbesserte Stromaufweitung in lateraler Richtung kann die Strahlungsaustritts fläche 10 durch eine Stromaufweitungsschicht gebildet sein, die auf dem Träger 5 angeordnet und mit dem zweiten Kontakt 82 elektrisch leitend verbunden ist . Beispielsweise enthält die Stromaufweitungsschicht ein TCO-Material . Eine solche Stromaufweitungsschicht kann groß flächig oder auch voll flächig auf der Strahlungsaustritts fläche 10 angeordnet sein . Der Reflektor 7 ist über eine Fügeschicht 91 , beispielsweise eine Lotschicht oder eine elektrisch leitfähige Klebeschicht mit dem weiteren Träger 51 elektrisch leitend verbunden .
Zwischen der zweiten p-leitenden Halbleiterschicht 32 und dem Reflektor 7 ist eine Anschlussschicht 33 angeordnet . Die Anschlussschicht 33 kann ein Halbleitermaterial oder ein TCO- Material enthalten . Über die Dicke der Anschlussschicht 33 ist insbesondere der Abstand des zweiten aktiven Bereichs 30 vom Reflektor 7 einstellbar .
Im Betrieb des Halbleiterlasers 1 kann sich entlang der vertikalen Emissionsrichtung 11 ein Stehwellenfeld ausbilden . Der Verbindungsbereich 4 ist vorzugsweise so angeordnet , dass er sich in einem Minimum des Stehwellenfelds befindet .
Dadurch können Absorptionsverluste in dem Verbindungsbereich 4 reduziert werden .
Bei dem Verbindungsbereich 4 kann es sich um ein TCO-Material oder um einen Tunnelübergang handeln .
Der erste aktive Bereich 20 und der zweite aktive Bereich 30 sind bezüglich ihrer Durchlassrichtung parallel und nicht antiparallel zueinander angeordnet . Eine elektrische Serienverschaltung des ersten aktiven Bereichs 20 und des zweiten aktiven Bereichs 30 und eine gemeinsame elektrische Kontaktierung über den ersten Kontakt 81 und dem zweiten Kontakt 82 werden so vereinfacht .
Beispielsweise ist die erste n-leitende Halbleiterschicht 21 zwischen dem ersten aktiven Bereich 20 und der Strahlungsaustritts fläche 10 angeordnet und die zweite n- leitende Halbleiterschicht 31 ist zwischen dem zweiten aktiven Bereich 30 und der Strahlungsaustritts fläche 10 angeordnet .
Alternativ können diese n-leitenden Halbleiterschichten 21 , 31 auch j eweils auf der der Strahlungsaustritts fläche abgewandten Seite des zugehörigen aktiven Bereichs angeordnet sein .
Von der gezeigten Darstellung in Figur 1 abweichend kann auch ein dritter Kontakt vorhanden sein, der den Halbleiterlaser 1 zwischen dem ersten aktiven Bereich 20 und dem zweiten aktiven Bereich 30 elektrisch kontaktiert . Die aktiven Bereiche 20 , 30 können so unabhängig voneinander angesteuert und beispielsweise auch mit voneinander verschiedenen Betriebsströmen oder Betriebsspannungen versorgt werden .
Der erste aktive Bereich 20 und der zweite aktive Bereich 30 können gleichartig ausgebildet sein, sodass sich die Peakwellenlängen der ersten Strahlung und der zweiten Strahlung nicht oder nur geringfügig voneinander unterscheiden . Weiterhin können auch der erste photonische Kristall 25 und der zweite photonische Kristall 35 gleichartig ausgebildet sein .
Dadurch kann sich im Betrieb des Halbleiterlasers ein besonders ef fektiver Betrieb einstellen, bei dem eine Modenkopplung zwischen der ersten Strahlung und der zweiten Strahlung erfolgt .
Davon abweichend können sich der erste aktive Bereich 20 und der zweite aktive Bereich 30 auch gezielt voneinander unterscheiden, sodass die erste Strahlung und die zweite Strahlung voneinander verschiedene Peakwellenlängen aufweisen . In diesem Fall kann also ein Halbleiterlaser 1 bereitgestellt werden, bei dem aus derselben Strahlungsaustritts fläche 10 Strahlungsanteile mit voneinander verschiedenen Peakwellenlängen austreten, wobei die Strahlungsanteile zumindest teilweise oder vollständig überlappend aus der Strahlungsaustritts fläche 10 austreten können .
Besonders große Unterschiede zwischen den Peakwellenlängen der ersten Strahlung und der zweiten Strahlung können erzielt werden, wenn die aktiven Bereiche 20 , 30 auf voneinander verschiedenen Halbleitermaterialsystemen basieren . Beispielsweise kann der erste aktive Bereich 20 auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basieren und zur Erzeugung von Strahlung im ultravioletten oder blauen Spektralbereich vorgesehen sein, während der zweite aktive Bereich 30 auf Arsenid- oder Phosphid- Verbindungshalbleitermaterial basiert und zur Erzeugung von Strahlung im grünen, orangen, roten oder infraroten Spektralbereich vorgesehen ist .
Alternativ oder ergänzend kann der Halbleiterlaser 1 so ausgebildet sein, dass sich die erste Strahlung und die zweite Strahlung entlang der vertikalen Emissionsrichtung bezüglich ihrer Polarisationsrichtung voneinander unterscheiden . Hierfür können beispielsweise der erste photonische Kristall 25 und der zweite photonische Kristall 35 so strukturiert ausgebildet werden, dass sich für die erste Strahlung und die zweite Strahlung unterschiedliche Vorzugsrichtungen für die Polarisation einstellen .
Durch die beschriebene Stapelung des ersten aktiven Bereichs 20 und des zweiten aktiven Bereichs 30 entlang der vertikalen Emissionsrichtung 11 kann die optische Leistungsdichte der insgesamt erzeugten Strahlung erhöht werden . Grundsätzlich können auch mehr als zwei aktive Bereiche 20 , 30 entlang der vertikalen Emissionsrichtung 11 übereinander gestapelt werden .
Das in Figur 2 dargestellte Aus führungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Aus führungsbeispiel . Im Unterschied hierzu ist der Träger 5 entfernt , sodass die Strahlungsaustritts fläche 10 durch die erste n-leitende Halbleiterschicht 21 gebildet ist . In diesem Fall fungiert der weitere Träger 51 als mechanisch stabilisierendes Element des Halbleiterlasers 1 . Das Aufwachssubstrat , auf dem die epitaktische Abscheidung der Halbleiterschichten des ersten Wellenleiters 2 erfolgt ist , ist in dem Halbleiterlaser 1 also nicht mehr vorhanden . Für die epitaktische Abscheidung kann damit auch ein Material Anwendung finden, das für die im Halbleiterlaser 1 zu erzeugende Strahlung nicht durchlässig und/oder nicht elektrisch leitfähig ist .
Anhand der Figuren 3A bis 3G ist ein Aus führungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers gezeigt . Zur vereinfachten Darstellung ist lediglich ein Bereich gezeigt , aus dem bei der Herstellung ein Halbleiterlaser 1 hervorgeht . Mit dem beschriebenen Verfahren kann j edoch eine Viel zahl von Halbleiterlasern gleichzeitig hergestellt und durch beispielsweise abschließendes Vereinzeln erzeugt werden .
Wie in Figur 3A dargestellt , wird auf einem Träger 5 , beispielsweise einem Aufwachssubstrat ein erster aktiver Bereich 20 bereitgestellt . Der erste aktive Bereich 20 befindet sich zwischen einer ersten n-leitenden Halbleiterschicht 21 und einer ersten p-leitenden Halbleiterschicht 22 . Dem ersten aktiven Bereich 20 ist ein erster photonischer Kristall 25 angeordnet . Der erste photonische Kristall 25 kann in der ersten p-leitenden Halbleiterschicht 22 oder außerhalb der zweiten p-leitenden Halbleiterschicht 22 ausgebildet werden .
Auf der ersten p-leitenden Halbleiterschicht 22 ist eine erste Teilschicht 41 eines in einem späteren Schritt gebildeten Verbindungsbereichs angeordnet .
Wie in Figur 3B dargestellt , wird ein zweiter aktiver Bereich 30 auf einem Ausgangsträger 50 ausgebildet . Beispielsweise ist der Ausgangsträger 50 ein Aufwachssubstrat für die epitaktische Abscheidung des zweiten aktiven Bereichs 30 . Der zweite aktive Bereich 30 befindet sich zwischen einer zweiten n-leitenden Halbleiterschicht 31 und einer zweiten p- leitenden Halbleiterschicht 32 . Dem zweiten aktiven Bereich 30 ist ein zweiter photonischer Kristall 35 zugeordnet . Der zweite photonische Kristall 35 kann vollständig oder teilweise in der zweiten p-leitenden Halbleiterschicht 32 oder vollständig oder teilweise in einer auf der zweiten p- leitenden Halbleiterschicht 32 angeordneten Anschlussschicht 33 ausgebildet sein .
Auf einer dem Ausgangssubstrat 30 abgewandten Seite des zweiten aktiven Bereichs 30 ist ein Reflektor 7 angeordnet .
Der erste photonische Kristall 25 und der zweite photonische Kristall 35 werden auf der dem j eweiligen Aufwachssubstrat abgewandten Seite des zugehörigen ersten aktiven Bereichs 20 beziehungsweise zweiten aktiven Bereichs 30 ausgebildet . Sowohl der erste aktive Bereich 20 als auch der zweite aktive Bereich 30 werden also auf dem j eweiligen Aufwachssubstrat abgeschieden, bevor die Strukturierung für die Ausbildung des j eweils zugeordneten photonischen Kristalls erfolgt . So kann für beide aktive Bereiche 20 , 30 zuverlässig eine hohe Kristallqualität erzielt werden .
Wie in Figur 3C dargestellt , wird der Reflektor 7 über eine Fügeschicht 91 an einem weiteren Träger 51 befestigt . Der Ausgangsträger 50 wird entfernt , beispielsweise mittels Auflösens einer Opferschicht 6 (vergleiche Figur 3B ) .
Auf die so freigelegte zweite n-leitende Halbleiterschicht 31 wird eine zweite Teilschicht 42 eines Verbindungsbereichs aufgebracht ( Figur 3D) .
Wie in Figur 3E dargestellt , werden der erste aktive Bereich 20 und der zweite aktive Bereich 30 aneinander befestigt , wobei die erste Teilschicht 41 und die zweite Teilschicht 42 einander zugewandt sind und durch ein Bondverfahren, beispielsweise direktes Bonden, aneinander befestigt werden, sodass ein Verbindungsbereich 4 entsteht ( Figur 3F) .
Vor dem Herstellen der Bondverbindung können die erste Teilschicht 41 und/oder die zweite Teilschicht 42 planarisiert werden, beispielsweise durch chemomechanisches Polieren .
Der erste aktive Bereich 20 und der zweite aktive Bereich 30 werden zwischen einem ersten Kontakt 81 und einem zweiten Kontakt 82 angeordnet . Der erste Kontakt 81 und/oder der zweite Kontakt 82 können j edoch auch in einem früheren Verfahrensstadium gebildet werden . In Figur 3G ist der so hergestellte Halbleiterlaser 1 dargestellt , der beispielsweise wie im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben ausgebildet ist .
Ein weiteres Aus führungsbeispiel für ein Verfahren ist anhand der Figuren 4A bis 4H schematisch illustriert . Dieses Verfahren entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit den Figuren 3A bis 3G dargestellten Aus führungsbeispiel .
Insbesondere erfolgen die in den Figuren 4A bis 4 F dargestellten Zwischenschritte analog zu den Zwischenschritten gemäß den Figuren 3A bis 3F .
Nachfolgend wird auf den weiteren Träger 51 ein erster Kontakt 81 aufgebracht ( Figur 4G) .
Der Träger 5 wird entfernt . Auf die so freigelegte erste n- leitende Halbleiterschicht 21 wird der zweite Kontakt 82 aufgebracht ( Figur 4H) .
Bei diesem Aus führungsbeispiel des Verfahrens sind also sowohl der erste aktive Bereich 20 als auch der zweite aktive Bereich 30 von ihrem ursprünglichen Aufwachssubstrat getrennt . Somit sind beide Aufwachssubstrate unabhängig von ihren optischen Eigenschaften und ihren elektrischen Eigenschaften wählbar . Beispielsweise kann so für aktive Bereiche basierend auf Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial Saphir als Aufwachssubstrat eingesetzt werden .
Ein weiteres Aus führungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers ist anhand der Figuren 5A bis 5E schematisch dargestellt . Dieses Aus führungsbeispiel unterscheidet sich von den beiden vorangegangen Aus führungsbeispielen insbesondere dadurch, dass der erste aktive Bereich 20 und der zweite aktive Bereich 30 nicht auf verschiedenen Trägern getrennt voneinander hergestellt und nachfolgend miteinander verbunden werden .
Wie in Figur 5A dargestellt , werden der erste aktive Bereich 20 , die erste n-leitende Halbleiterschicht 21 und die erste p-leitende Halbleiterschicht 22 auf einem Träger 5 , beispielsweise einem Aufwachssubstrat epitaktisch abgeschieden . Die erste p-leitende Halbleiterschicht 22 wird zur Ausbildung eines ersten photonischen Kristalls 25 strukturiert , beispielsweise durch ein nasschemisches oder trockenchemisches Ätzverfahren .
Der erste photonische Kristall 25 wird nachfolgend zur Ausbildung eines Verbindungsbereichs 4 und eines zweiten aktiven Bereichs 30 epitaktisch überwachsen ( Figur 5C ) .
Der Verbindungsbereich 4 ist in diesem Fall ein Tunnelübergang, bei dem eine erste Teilschicht 41 und eine zweite Teilschicht 42 j eweils hochdotierte Halbleiterschichten mit zueinander entgegengesetztem Leitungstyp sind . Beispielsweise beträgt eine Dotierkonzentration der ersten Teilschicht 41 und/oder der zweiten Teilschicht 42 mindestens 1 * 1019 cm-3 oder mindestens 1 * 1020 cm-3 Über diesen Tunnelübergang können die aktiven Bereiche 20 , 30 elektrisch zueinander in Serie verschaltet werden .
Wie in Figur 5 dargestellt , werden nachfolgend wie im
Zusammenhang mit den vorangegangenen Aus führungsbeispielen beschrieben, eine Anschlussschicht 33 und ein Reflektor 7 aufgebracht . Der Reflektor 7 wird über eine Fügeschicht 91 an einem weiteren Träger 51 befestigt .
Wie in Figur 5E dargestellt , wird der Träger 5 entfernt und der erste Kontakt 81 und der zweite Kontakt 82 werden aufgebracht . Der so fertiggestellte Halbleiterlaser ist in Figur 5E dargestellt .
Von der Darstellung in Figur 5E abweichend kann der Träger 5 analog zu Figur 1 in dem Halbleiterlaser 1 auch verbleiben .
Mit den beschriebenen Verfahren können auf zuverlässige Weise aktive Bereiche entlang der vertikalen Emissionsrichtung übereinander gestapelt werden, wodurch ein Halbleiterlaser mit erhöhter optischer Leistungsdichte zuverlässig hergestellt werden kann .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2021 133 904 . 9 , deren Of fenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Aus führungsbeispiele beschränkt . Vielmehr umfasst die Erfindung j edes neue Merkmal sowie j ede Kombination von Merkmalen, was insbesondere j ede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet , auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht expli zit in den Patentansprüchen oder den Aus führungsbeispielen angegeben ist . Bezugs zeichenliste
1 Halbleiterlaser
10 Strahlungsaustritts fläche
11 vertikale Emissionsrichtung
2 erster Wellenleiter
20 erster aktiver Bereich
21 erste n-leitende Halbleiterschicht
22 erste p-leitende Halbleiterschicht
25 erster photonischer Kristall
3 zweiter Wellenleiter
30 zweiter aktiver Bereich
31 zweite n-leitende Halbleiterschicht
32 zweite p-leitende Halbleiterschicht
33 Anschlussschicht
35 zweiter photonischer Kristall
4 Verbindungsbereich
41 erste Teilschicht
42 zweite Teilschicht
5 Träger
50 Ausgangsträger
51 weiterer Träger
6 Opferschicht
7 Reflektor
81 erster Kontakt
82 zweiter Kontakt
91 Fügeschicht

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterlaser (1) mit einer vertikalen Emissionsrichtung (11) , umfassend :
- einen ersten aktiven Bereich (20) und einen ersten photonischen Kristall (25) , wobei im Betrieb des Halbleiterlasers (1) im ersten aktiven Bereich (20) emittierte erste Strahlung teilweise mittels des ersten photonischen Kristalls (25) in die vertikale Emissionsrichtung (11) umgelenkt wird;
- einen zweiten aktiven Bereich (30) und einen zweiten photonischen Kristall (35) , wobei im Betrieb des Halbleiterlasers (1) im zweiten aktiven Bereich (30) emittierte zweite Strahlung teilweise mittels des zweiten photonischen Kristalls (35) in die vertikale Emissionsrichtung (11) umgelenkt wird; und
- einen Verbindungsbereich (4) , der in der vertikalen Emissionsrichtung (11) zwischen dem ersten aktiven Bereich (20) und dem zweiten aktiven Bereich (30) angeordnet ist und den ersten aktiven Bereich (20) und den zweiten aktiven Bereich (30) elektrisch leitend miteinander verbindet .
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, bei dem eine Durchlassrichtung des ersten aktiven Bereichs (20) und eine Durchlassrichtung des zweiten aktiven Bereichs (30) in dieselbe Richtung zeigen.
3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste aktive Bereich (20) und der zweite aktive Bereich (30) gleichartig ausgebildet sind.
4. Halbleiterlaser nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der erste photonische Kristall (25) und der zweite photonische Kristall (35) gleichartig ausgebildet sind.
5. Halbleiterlaser nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem sich die erste Strahlung und die zweite Strahlung entlang der vertikalen Emissionsrichtung (11) bezüglich ihrer Polarisationsrichtung voneinander unterscheiden.
6. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, bei dem sich der erste aktive Bereich (20) und der zweite aktive Bereich (30) bezüglich einer Materialzusammensetzung voneinander unterscheiden.
7. Halbleiterlaser nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Verbindungsbereich (4) ein Tunnelübergang ist oder ein TCO-Material aufweist.
8. Halbleiterlaser nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem sich im Betrieb des Halbleiterlasers (1) in der vertikalen Emissionsrichtung (11) ein Stehwellenfeld ausbildet, wobei der Verbindungsbereich (4) in einem Minimum des Stehwellenfelds angeordnet ist.
9. Halbleiterlaser nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die erste Strahlung in einer lateralen Richtung in einem ersten Wellenleiter (2) propagiert und die zweite Strahlung in der lateralen Richtung in einem zweiten Wellenleiter (3) propagiert.
10. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlasers (1) mit den Schritten: a) Bereitstellen eines ersten aktiven Bereichs (20) und eines ersten photonischen Kristalls (25) ; b) Anordnen eines zweiten aktiven Bereichs (30) und eines zweiten photonischen Kristalls (35) auf dem ersten aktiven Bereich (20) , wobei zwischen dem ersten aktiven Bereich (20) und dem zweiten aktiven Bereich (30) ein Verbindungsbereich (4) , der den ersten aktiven Bereich (20) und den zweiten aktiven Bereich (30) elektrisch leitend miteinander verbindet, angeordnet ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der zweite aktive Bereich (30) separat vom ersten aktiven Bereich (20) auf einem Ausgangsträger (50) abgeschieden und in Schritt b) über den Verbindungsbereich an dem ersten aktiven Bereich befestigt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Ausgangsträger (50) entfernt wird, bevor der zweite aktive Bereich (30) an dem ersten aktiven Bereich (20) befestigt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem der Verbindungsbereich (4) ein TCO-Material enthält und in Schritt b) eine erste Teilschicht (41) des Verbindungsbereichs (4) auf dem ersten aktiven Bereich (20) und eine zweite Teilschicht (42) des Verbindungsbereichs (4) auf dem zweiten aktiven Bereich (20) aneinander gebondet werden .
14. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Verbindungsbereich (4) ein Tunnelübergang ist und der zweite aktive Bereich in Schritt b) auf dem Tunnelübergang abgeschieden wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem der erste aktive Bereich (20) in Schritt a) auf einem Träger (5) bereitgestellt wird und der Träger (5) nach Schritt b) entfernt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem ein Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt wird.
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