TWI687006B - 半導體雷射及此種半導體雷射之製造方法 - Google Patents

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Abstract

在一實施形式中，半導體雷射(1)包括一表面發射式半導體雷射晶片(4)，其具有一半導體層序列(40)，此半導體層序列(40)具有：一個活性區(41)，以產生雷射輻射(L)；以及一光發出面(44)，其定向成垂直於半導體層序列(40)之生長方向(G)。此外，半導體雷射(1)包含一繞射式光學元件(3)，其係用於擴大和分配雷射輻射(L)，使半導體雷射(1)優選為對眼睛是安全的。繞射式光學元件(3)之光學有效結構(33)係由折射率至少1.65或2.0的材料構成。

Description

半導體雷射及此種半導體雷射之製造方法
本發明提供一種半導體雷射。此外，本發明提供此種半導體雷射之製造方法。
本專利申請案主張德國專利申請案10 2017 100 997.3之優先權，其已揭示的內容收納於此以作為參考。
本發明的目的是提供一種半導體雷射，其可對眼睛安全地且有效率地製成。
上述目的另外藉由一種半導體雷射及一種具有獨立的專利請求項之特徵的方法來達成。優選的其它形式是附屬的請求項之主題。
依據至少一實施形式，半導體雷射包含一個或多個半導體雷射晶片。至少一個半導體雷射晶片包括一個半導體層序列。此半導體層序列包含一個或多個活性區以產生雷射輻射。此外，半導體雷射晶片具有一個光發出面。在此光發出面上進行雷射輻射的發出。
依據至少一實施形式，至少一半導體雷射是 表面發射器。這特別是表示：半導體雷射晶片使操作時產生的雷射輻射發出至較大的表面。此表面即光發出面，其上該半導體雷射晶片可發出雷射輻射，此表面優選為定向成垂直於或近似地垂直於半導體層序列之生長方向，使共振器方向平行於或近似地平行於該生長方向。「近似地」在此處及以下特別是指一種最多15°或5°或2°之容許度(tolerance)。反之，相較於表面發射器而言，邊緣發射器具有一種位於垂直於該生長方向的方向中之發射方向和共振器方向。
半導體層序列優選為以13-15-化合物半導體材料為主。此半導體材料例如是氮化物-化合物半導體材料(例如，AlnIn1-n-mGamN)或磷化物-化合物半導體材料(例如，AlnIn1-n-mGamP)或砷化物-化合物半導體材料(例如，AlnIn1-n-mGamAs或AlnGamIn1-n-mAskP1-k)，其中0
Figure 107101877-A0202-12-0002-56
n
Figure 107101877-A0202-12-0002-57
1,0
Figure 107101877-A0202-12-0002-58
m
Figure 107101877-A0202-12-0002-59
1且n+m
Figure 107101877-A0202-12-0002-60
1以及0
Figure 107101877-A0202-12-0002-61
k<1。於此，優選的是，0<n
Figure 107101877-A0202-12-0002-62
0.8，0.4
Figure 107101877-A0202-12-0002-63
m<1且n+m
Figure 107101877-A0202-12-0002-64
0.95以及0<k
Figure 107101877-A0202-12-0002-65
0.5對此半導體層序列之至少一層或全部的層都適用。於此，此半導體層序列可具有摻雜物質以及其它成份。然而，為了簡化之故，只提供該半導體層序列之晶格的主要成份，即，Al、As、Ga、In、N或P，這些主要成份之一部份亦可由少量的其它物質來取代及/或補充。
依據至少一實施形式，半導體雷射包括至少一繞射式光學元件，簡稱為DoE。該-或該些繞射式光學元件係用於擴大和分配雷射輻射，特別是用於超越更大 的空間角度範圍而分配雷射輻射。藉由繞射式光學元件，則半導體雷射由於與其相關聯的雷射輻射之發散而對人類眼睛並不特別危險，使半導體雷射不需其它措施即可使眼睛安全且滿足此處需要的法律規章。
除了繞射式光學元件以外，通常亦可各別地存在一種射束擴大式光學元件。此種射束擴大式光學元件大致上是一種微透鏡陣列(Micro Lens Array或簡稱MLA)。此微透鏡陣列具有多個單一透鏡，其優選為緊密地配置著。所產生的雷射輻射經過光發出面的一區域，此區域優選為被至少10個或30個或100個微透鏡覆蓋著。另一方式或額外地，該射束擴大式光學元件可具有散射層，亦稱為漫射器(Diffusor)，或可由其構成。一散射層特別是包括：粗糙性，其上使雷射輻射散射；及/或散射粒子，其位於一種可使雷射輻射透過的母材(matrix)中。以下對繞射式光學元件的實施方式同樣適用於射束擴大式光學元件。
依據至少一實施形式，繞射式光學元件之光學有效結構係由高折射率的材料形成。特別是，此種材料的折射率是至少1.65或1.75或1.8或2.0或2.2。上述用於折射率之值優選為適用於半導體雷射之操作溫度及操作時產生的雷射輻射之最大強度時的波長。又，此折射率優選為大於環氧化物的折射率。高折射的環氧化物大致上達到一種直至1.6之值。
光學有效結構特別是指一種柵格式結構，其作用類似於雷射輻射用的繞射光柵及/或雷射攝影 (Hologram)。經由該光學有效結構使雷射輻射擴大且受到分配，此種擴大和分配優選為具有決定性或只回溯至光繞射。
該光學有效結構例如由13-15-化合物半導體材料製成。同樣，可使用像ZnO、ZnS或ZnTe或Ga2O3、In2O3之類的12-16-半導體。此外，亦可使用其它的半導體層以取代單晶的半導體層，經由金屬有機氣相沈積來製成。特別是，大致上可使用高折射率的金屬氧化物，例如，ZnO、SnO2或Ta2O5，之不定形的層以用於該光學有效結構。
光學有效結構用的材料之其它範例是Al2O3，特別用作藍寶石-晶體，GaAs或GaN，特別是當該光學有效結構在雷射之生長基板或半導體層序列中蝕刻時。若該光學有效結構應由沈積在雷射晶圓上的一層來製成時，則由氧化鋁或氮化矽之類的介電質形成的這些層是實用的，這些層各自不一定以準確的化學計量來組成及/或大部份是不定形的。
在至少一實施形式中，半導體雷射包括至少一表面發射式半導體雷射晶片，其具有一個半導體層序列，此半導體層序列具有：至少一活性區，用於產生雷射輻射；以及一光發出面，其定向成垂直於半導體層序列之一生長方向。此外，半導體雷射包含一繞射式光學元件，其係用於擴大和分配雷射輻射，使半導體雷射優選為對眼睛是安全的。此繞射式光學元件之一光學有效結構是由折射率至少1.65或2.0之材料構成，該折射率 係相對於雷射輻射的最大強度時的波長而言。
在至少一實施形式中，半導體雷射包括至少一表面發射式半導體雷射晶片，其具有一個半導體層序列，此半導體層序列具有：至少一活性區，用於產生雷射輻射；以及一光發出面，其定向成垂直於半導體層序列之一生長方向。此外，半導體雷射包含一射束擴大式光學元件，其係用於擴大和分配雷射輻射，使半導體雷射對眼睛是安全的。此射束擴大式光學元件之一光學有效結構可由具有高折射率的材料構成。優選的是，該半導體層序列包括至少一佈拉格(Bragg)-鏡面，其由至少一電性接觸孔所穿過。電性接觸區可以環形方式圍繞著光發出面而安裝著。此接觸區優選為位於該射束擴大式光學元件和所屬的佈拉格-鏡面之間，該接觸孔穿過佈拉格-鏡面以連接該接觸區。
就很多應用而言需要的是：光源對人類眼睛是安全的。半導體雷射中須採取除此以外的措施，特別是可經由繞射式光學元件來擴大和分配雷射輻射。若此種繞射式光學元件由折射率較低的材料形成，則眼睛保護將與環境條件有關而受到限制。
例如，在繞射式光學元件上沾上露水或形成冷凝水或濕氣凝聚的情況下，由於環境和該光學有效結構之間折射率差異已下降，則該繞射式光學元件之射束擴大作用會消失。此處描述的半導體雷射中，此問題會被排除，此乃因即使在該繞射式光學元件沾上露水的情況下，仍存在足夠大的折射率差異，以確保在由該繞射 式光學元件形成射束時眼睛安全。
此外，此處描述的繞射式光學元件可藉由一種連接劑而固定至半導體雷射晶片上。於此，大致上可使用有機塑料作為黏合材料或使用折射率較低的無機材料例如SiO2作為黏合材料。此種材料可侵入至光學有效結構中且亦填入大致上近似柵格的光學有效結構中，這是由於通常總是存在的、明顯的折射率差異而使繞射式光學元件仍然有作用。
藉由使用適當的材料，則亦可能的是：繞射式光學元件經由適當的接合過程在晶圓-平面上施加在仍未切割的半導體雷射晶片上或共同地或成組地配屬於已切割的半導體雷射晶片。藉由高折射率的光學有效結構，則可有效率地進行此種方法。
依據至少一實施形式，半導體雷射是可表面安裝的。即，半導體雷射優選為適合以無鉛的焊接過程或亦可以黏合過程來進行表面安裝(簡稱為SMT)。半導體雷射特別是以無穿透方式機械地及/或電性地安裝在例如電路板之類的安裝載體上。
依據至少一實施形式，繞射式光學元件位於光發出面上。在繞射式光學元件和光發出面之間優選為只存在一種連接劑，藉此使繞射式光學元件與半導體雷射晶片相連接。特別是，該連接劑以整面形式存在於光發出面和繞射式光學元件之間。因此，整個光發出面都可能由該連接劑和該繞射式光學元件覆蓋著。該連接劑在此種情況下優選為可使所產生的雷射輻射透過，特別 是透明的。
依據至少一實施形式，繞射式光學元件之光學有效結構位於繞射式光學元件之面向半導體雷射的一側上。特別是，該光學有效結構部份地或整面地與該連接劑直接相接觸及/或該光學有效結構部份地或完全地以該連接劑來填充及/或平坦化。
依據至少一實施形式，該連接劑在半導體雷射晶片和繞射式光學元件之間只位於繞射式光學元件之一邊緣上。特別是，光發出面未具有該連接劑或大部份都無該連接劑。在光發出面和繞射式光學元件之間可部份地或整面地在該光發出面上形成間隙。間隙在此處大致上是指：固體材料和流體都不存在。該間隙可以一種以上氣體來填充或清空。在此種情況下，該連接劑亦使所產生的雷射輻射不可透過且該連接劑例如是一種金屬或金屬合金。
依據至少一實施形式，繞射式光學元件直接位於光發出面上。這優選為在超越整個光發出面的整面上都適用。於此，光學有效結構位於繞射式光學元件之面向光發出面的一側上或亦可位於繞射式光學元件之遠離光發出面的一側上。
依據至少一實施形式，繞射式光學元件具有一載體基板。此載體基板例如是一種大致上由氮化鎵或砷化鎵構成的半導體基板或像藍寶石或碳化矽之類的透明材料。此載體基板優選為可使操作時產生的雷射輻射透過。
依據至少一實施形式，光學有效結構形成於該載體基板中。例如，該載體基板大致上可以光微影術適當地被結構化。
依據至少一實施形式，光學有效結構由施加在該載體基板上的原始材料層形成。換言之，在此種情況下不是載體基板本身而是原始材料層被結構化，例如，經由光刻(photolithographically)或奈米壓印方法來達成。
依據至少一實施形式，光學有效結構只有一部份穿過該繞射式光學元件。特別是，載體基板及/或原始材料層保持成連續的、未中斷的層。換言之，光學有效結構只未完全地經過載體基板及/或該原始材料層。另一方式是，該繞射式光學元件可完全由光學有效結構所穿過，使該光學有效結構在該繞射式光學元件中形成孔或開口。
依據至少一實施形式，光學有效結構具有一種以上半導體材料或由一種以上半導體材料構成。光學有效結構可由與半導體雷射晶片之半導體層序列相同的半導體材料製成或由其它半導體材料製成。若光學有效結構包括至少一種半導體材料或由其構成，則該繞射式光學元件之載體基板優選為一種用於該光學有效結構之該半導體材料的生長基板。
依據至少一實施形式，半導體雷射晶片包括一種用於半導體層序列的生長基板。此半導體層序列優選為以磊晶方式生長在該生長基板上且該生長基板在已 製成的半導體雷射中優選為仍存在著。
依據至少一實施形式，繞射式光學元件形成在半導體雷射晶片之生長基板中。於此，繞射式光學元件，特別是其光學有效結構，優選為位於該生長基板之遠離半導體層序列(具有活性區)之一側上。
依據至少一實施形式，繞射式光學元件形成半導體雷射晶片之光發出面。換言之，產生的雷射輻射在該繞射式光學元件處離開該半導體雷射晶片，特別是在光學有效結構處離開。
依據至少一實施形式，繞射式光學元件和半導體雷射晶片形成為單件。這表示例如：在半導體雷射晶片和繞射式光學元件之間不存在接合區或連接劑層。特別是，半導體雷射晶片和繞射式光學元件具有一共同的組件，其特別是由半導體層序列之生長基板形成。
依據至少一實施形式，半導體雷射晶片和用於繞射式光學元件之連接劑安裝在一共同的安裝載體上。於此，該連接劑在光發出面之俯視圖中觀看時優選為只位於半導體層序列附近及/或半導體雷射晶片附近及/或活性區附近。特別是，該連接劑和該半導體雷射晶片未接觸。
依據至少一實施形式，該連接劑係與該安裝載體及/或該繞射式光學元件直接相接觸。於此，該連接劑可嵌接在該繞射式光學元件之光學有效結構中且一部份填入此結構。
依據至少一實施形式，繞射式光學元件完全 覆蓋該光發出面及/或半導體層序列及/或半導體雷射晶片。這特別適用於俯視圖中觀看時。
依據至少一實施形式，半導體雷射具有多個半導體雷射晶片。這些半導體雷射晶片彼此之間構造相同且發出相同波長的輻射，或是彼此不同地形成。
依據至少一實施形式，該些半導體雷射晶片或至少一個半導體雷射晶片具有多個雷射區。在此種情況下，半導體雷射優選為恰巧包括一個半導體雷射晶片。特別是在VCSEL形式的雷射之情況下，半導體雷射晶片包含多個雷射區，雷射區亦稱為單一雷射，其優選為互相平行地對準及/或在平行於半導體層序列之生長方向中顯示共振器軸。該些單一雷射可形成各別的VCSEL，則相關的半導體雷射晶片即表示一種VCSEL-陣列。經由此種VCSEL-陣列，可達成足夠的或特別高的光學輸出功率。該些單一雷射優選為在半導體雷射晶片中配置成矩陣形式且優選為可同時操作。該些單一雷射可在電性上互相並聯及/或只可共同操作。同樣，該些單一雷射可各別地或成組地在電性上互相獨立地受到控制。
多個半導體雷射晶片及/或多個單一雷射可共同跨越一繞射式光學元件且組合成一構件。
依據至少一實施形式，半導體雷射之半導體雷射晶片共同地且優選為完全地由該繞射式光學元件覆蓋著。特別是，半導體雷射晶片之所有的光發出面可分別由該繞射式光學元件完全覆蓋。於此，該繞射式光學 元件優選為連續地、單件地及/或無缺口地超越所有的半導體雷射晶片而延伸。
依據至少一實施形式，該繞射式光學元件位於半導體雷射晶片附近及/或光發出面附近。該繞射式光學元件和該半導體雷射晶片之間的距離優選為雷射輻射之最大強度的波長之最多20-倍或10-倍或5-倍及/或至少1-倍或2-倍或4-倍。另一方式或額外地，半導體雷射晶片和繞射式光學元件之間的距離是最多0.5毫米或0.2毫米或0.05毫米或20微米。即，繞射式光學元件和半導體雷射晶片之間不存在空間隔離或不存在明顯的空間隔離。
依據至少一實施形式，繞射式光學元件及/或至少一半導體雷射晶片部份地或整面地直接由一種澆注材料包圍著。此種澆注材料優選成由較低折射率的塑料，大致上是矽樹脂或環氧化物或壓克力(acrylate)或聚碳酸鹽，來形成。此種澆注材料優選為可使所產生的雷射輻射透過。
依據至少一實施形式，該澆注材料接觸光學有效結構。該澆注材料可只在一邊緣接觸光學有效結構或亦可整面地超越整個光發出面。
依據至少一實施形式，半導體層序列包括一個或多個佈拉格-鏡面。至少一佈拉格-鏡面係用於使雷射輻射反射。
依據至少一實施形式，佈拉格-鏡面係被至少一電性接觸孔穿過。此接觸孔優選為具有金屬性。特別 是，此接觸孔與其所穿過的佈拉格-鏡面形成電性絕緣。
依據至少一實施形式，用於與半導體雷射達成外部電性接觸的電性接觸面係位於活性區之一共同側上。因此，半導體雷射是可表面安裝的。
依據至少一實施形式，至少一佈拉格-鏡面中或多個佈拉格-鏡面中產生至少一種電流約束區。於是，活性區在操作時只在該電流約束區的一個或多個電流通過區中被供應電流。該電流約束區優選為位於所屬的佈拉格-鏡面內部且沿著半導體層序列之生長方向觀看時不是在該佈拉格-鏡面之一邊緣上。
依據至少一實施形式，半導體雷射包括二個佈拉格-鏡面，其位於活性區之不同側上。於此，每一佈拉格-鏡面都可被其接觸孔穿過或被多個接觸孔之一穿過或被多個接觸孔穿過。
依據至少一實施形式，半導體雷射包括一個陽極接觸區及/或一個陰極接觸區。該些接觸區優選為金屬性的接觸區。經由該些接觸區有利地使電流直接注入至半導體層序列中。
依據至少一實施形式，陽極接觸區及/或陰極接觸區在半導體層序列和繞射式光學元件之間延伸。因此，面向繞射式光學元件之一側上的光發出面在俯視圖中觀看時四周由陽極接觸區及/或陰極接觸區之材料包圍著。於此，該陽極接觸區及/或該陰極接觸區對所產生的雷射輻射是不可透過的及/或具有金屬性。
此外，本發明提供一種半導體雷射之製造方 法。藉此方法有利地製成一種結合上述一個或多個實施例而提供的半導體雷射。本方法的特徵因此亦揭示於半導體雷射中且反之亦同。
在至少一實施形式中，本方法包括以下步驟，優選為以設定的順序進行：製備半導體雷射晶片，以及將繞射式光學元件設置於半導體雷射晶片上及/或在該半導體雷射晶片中形成該繞射式光學元件。
此處描述的方法和此處描述的半導體雷射中，組件平面上成本密集的及/或材料密集的主動調整已不需要。藉由使用半導體製程，特別是藉由晶圓-平面上的被動調整，則在製造時另外可使成本下降。例如，在客戶特定的發射特性上可使半導體雷射之已在晶圓-平面上的組件之產生停止，大致上是為了可達成對準的發射以便在客戶側作更簡單的再加工。
此外，高折射率的層或材料大多可以一些可使用在半導體製程中的程序有效率地被結構化。特別是，已在晶圓-平面上的繞射式光學元件可與半導體雷射晶片相組合。這允許更經濟地使繞射式光學元件和半導體雷射晶片精準地互相調整，只要這有必要時。於此，特別是使配備上的耗費大大地下降。此外，已可在晶圓-平面上進行半導體雷射的測試且已可在晶圓-平面上分析和檢測繞射式光學元件之作用。
在此處描述的繞射式光學元件中，其緊密地與半導體雷射晶片相連接，則半導體雷射晶片事後不須 以各別的繞射式光學元件來覆蓋。此外，繞射式光學元件在此處描述的半導體雷射中作為半導體雷射晶片用的保護層。若該繞射式光學元件例如黏合在半導體雷射晶片上，則該繞射式光學元件之載體基板可確保對該半導體雷射已有足夠的機械保護作用。由於光學有效結構之高的折射率，則另外亦可使該光學有效結構位於該繞射式光學元件之遠離半導體雷射晶片之一側上且該繞射式光學元件以一種單殼式塑料來套上以達成額外的保護。
以下將依據各實施例參考其圖式來詳述此處描述的半導體雷射和此處描述的方法。相同的參考符號於此表示各別圖式中相同的元件。然而，於此顯示出未依比例繪出的各種關係，反之，為了更易於理解，各別元件已予放大顯示。
1‧‧‧半導體雷射
2‧‧‧生長基板
3‧‧‧繞射式光學元件
32‧‧‧載體基板
33‧‧‧光學有效結構
34‧‧‧半導體層
35‧‧‧原始材料層
37‧‧‧平面化的層
39‧‧‧接合區
4‧‧‧半導體雷射晶片
40‧‧‧半導體層序列
41‧‧‧活性區
44‧‧‧光發出面
46‧‧‧佈拉格-鏡面
47‧‧‧單一雷射
48‧‧‧電流約束區
5‧‧‧連接劑
6‧‧‧間隙
7‧‧‧澆注材料
8‧‧‧安裝載體
91‧‧‧陽極接觸區
92‧‧‧陰極接觸區
93‧‧‧接合層
94‧‧‧填充材料
95‧‧‧接觸孔
G‧‧‧生長方向
L‧‧‧雷射輻射
第1圖至第4圖、第15圖和第16圖係此處描述的方法之各實施例的各步驟之示意的剖面圖。
第5圖至第13圖，第14B圖和第17圖係此處描述的半導體雷射之各實施例的示意之剖面圖。
第14A圖係此處描述的半導體雷射之一實施例的示意之俯視圖。
第1圖中顯示此處描述的、可表面安裝的半導體雷射1之製造方法的一實施例。依據第1A圖，製備一種用於繞射式光學元件3之載體基板32。此載體基板 32例如是一種藍寶石基板。
在載體基板32上產生一隔離層34，大致上以磊晶方式生長而成。此隔離層34例如是一種GaN-層。此外，在此隔離層34上沈積一原始材料層35，例如以磊晶方式或藉由濺鍍來達成。此原始材料層35例如由氮化鋁構成。
第1B圖之步驟中，在原始材料層35中形成光學有效結構33。此光學有效結構33大致上藉由光微影術和蝕刻而產生。例如，第1圖中以陰影來標示的此光學有效結構33在俯視圖中觀看時具有類似於柵格的形式。此光學有效結構33之結構大小在俯視圖中觀看時例如位於已製成的半導體雷射1操作時產生的雷射輻射L之波長的四分之一或一半的範圍中。這同樣可適用於該光學有效結構33之厚度，該厚度在另一方式中或額外地小於或等於2微米或1微米。該光學有效結構33只一部份穿過原始材料層35。該光學有效結構33在此處及以下都很簡化地予以說明。
俯視圖中該光學有效結構33優選為具有平均大小至少0.5微米至1微米的結構元件。結構元件的高度取決於該光學有效結構33和環境之間已計劃的折射率差異且應足夠大，以經由相位偏移來實現所需的光學通道差異。
第1C圖之步驟中製備半導體雷射晶片4。半導體雷射晶片4是一種表面發射式雷射。半導體雷射晶片4具有一種用於半導體層序列40之生長基板2。半導 體層序列40具有一種在由該生長基板2離開的方向中的生長方向G。此外，半導體層序列40包含至少一活性區41以產生雷射輻射L。半導體雷射4之光發出面44係由半導體層序列40形成且定向成垂直於該生長方向G。
該生長基板2例如是一種GaAs-基板。半導體層序列40特別是以材料系統AlInGaAS為主。不同於第1圖之圖式，可使用一種代用基板以取代該生長基板2，其上在一種生長之後施加半導體層序列40。在此種情況下，去除該生長基板2。
第1D圖之步驟中，第1B圖之組件施加在第1C圖之半導體雷射晶片4上。這經由連接劑5之一層來達成。可使雷射輻射L透過的連接劑5在半導體雷射晶片4和第1B圖之組件之間整面地且貫通地延伸著。此連接劑5例如是有機黏合材料。該連接劑5可填滿高折射的材料構成的光學有效結構33。由於光學有效結構33之高折射率，則可對該連接劑保持著足夠大的折射率差異，使光學有效結構33達成所期望的作用。
依據第1E圖，半導體雷射4上只保留著光學有效結構33。這特別是藉由雷射剝離方法經由載體基板32來達成。特別是，經由載體基板32使雷射輻射入射，雷射輻射將該隔離層34分解，使載體基板32可剝離。另一方式或除了雷射剝離方法以外，亦可進行蝕刻及/或研磨及/或拋光。可選擇地(optionally)，光學有效結構33上該隔離層34之可能的殘留物被去除。多餘的原始材料層35同樣亦可選擇地完全被去除。
該隔離層34最後係用於：藉由像雷射剝離方法之類的剝離方法來去除載體基板32。於是，該隔離層34如上所述是一種半導體層，但這並不是一定需要的。為了剝離，只須使該隔離層34可藉由像雷射分解或蝕刻之類的方法部份地或完全分解即可。因此，對該隔離層34而言亦可使用介電質及/或像聚合物化的雙苯并環丁烯(簡稱為BCB)之類的有機材料。
第1F圖之步驟中顯示：半導體層序列40部份地裸露著，此處該連接劑5和用於形成繞射式光學元件3之該光學有效結構33部份地被去除。在半導體層序列40之裸露的區域中可設置電性接觸區91、92，在第1F圖中只很簡化地顯示，這些接觸區用於對活性區41提供電流。
除了第1圖之圖式以外，繞射式光學元件3在第1D圖之步驟以前，大致上是在第1B圖的步驟時，已具有第1F圖中所示的用於電性接觸區91、92之空出區。對應的情況亦適用於所有其它的實施例。
第2圖的方法中，首先製備半導體雷射晶片4，請參閱第2A圖。然後，在光發出面44上沈積原始材料層35，請參閱第2B圖。原始材料層35例如由已沈積的不定形的氧化鋁構成。
然後，請參閱第2C圖，於原始材料層35中產生光學有效結構33。光學有效結構33未到達光發出面44。另一方式不同於第2C圖所示者，光學有效結構33亦可到達半導體層序列40。
第2D圖中顯示：半導體層序列40部份地裸露著，以便可達成電性接觸，類似於第1F圖。
第3A圖中在另一舉例的製造方法中製備半導體雷射晶片4。此外，在該載體基板32上製備光學有效結構33。光學有效結構33可由二個部份結構33a,33b組成，其在第3圖中由不同的陰影來表示。此種具有多個部份結構的光學有效結構33亦可使用在所有其它的實施例中。於此，可存在多於二個的部份結構。
第3B圖中顯示：來自第3A圖的二個組件經由該連接劑5而安裝在一起且半導體層序列40之一部份裸露著以用於電性接觸。
不同於第1圖和第2圖，繞射式光學元件3在第3圖之已製成的半導體雷射1中仍具有保留著的原始材料層35、可選擇的隔離層34、以及載體基板32。雷射輻射L經由具有連接劑5之層、光學有效結構33、原始材料層35、可選擇的半導體層34、以及經由載體基板32而發出。載體基板32優選為藍寶石或碳化矽。在所有其它的實施例中，原則上該載體基板32亦可仍存在於已製成的半導體雷射1中。
第4圖所示的方法中，原始材料層35直接產生於載體基板32上。載體基板32例如是GaAs，原始材料層35例如是AlP。
依據第4B圖，原始材料層35中產生光學有效結構33。
第4C圖中可看出：為了使光學有效結構33 平坦化，須施加一種平坦化的層37。需要此種平坦化的層37、5a以便隨後可與第4D圖中已製備的半導體雷射晶片4相連接。位於繞射式光學元件3上以及位於半導體雷射晶片4上的二個層5a、5b大致上由SiO2構成且優選為在進行一種爆破之前例如以化學機械方式拋光，請參閱第4E圖。因此，層5a、5b一起形成連接劑層5。
可選擇地，去除載體基板32，請參閱第4F圖。亦像第1F圖所示那樣，半導體層序列40部份地裸露出以用於電性接觸。
依據第4圖，特別是一種AlP-層直接在GaAs-基板上結構化，然後平坦化且經由一種像直接接合(Bonding)之類的過程而與半導體雷射晶片4相連接。作為該連接劑5用的材料，亦可在所有其它的實施例中使用大致上是可流動的氧化物(flowable oxides，簡稱FOX)。同樣，可使用沾濕的雙苯并環丁烯-層之類的有機材料。
第1圖至第4圖中顯示：只在一半導體雷射晶片4上各別地只施加一繞射式光學元件3。與此不同，第1圖至第4圖中亦可各別地使用一種晶圓-至-晶圓-過程，以便同時在多個半導體雷射晶片4上施加多個繞射式光學元件3。第1圖至第4圖之各別的方法因此可以晶圓-至-晶圓-過程及晶片-至-晶圓-過程或晶片-至-晶片-過程來進行。於此，晶圓-至-晶圓-過程由於效率原因而優先選用。
此外，不同於第4圖中所示，可類似於第1 圖而使用一種塑料來取代上述的直接接合，以使來自第4C圖和第4D圖之二個組件互相連接。在此種情況下，具有該連接劑5之層優選為由唯一的層來實現。黏合或爆破或直接接合亦可使用在所有其它的實施例中作為該二個組件互相連接之另一方法。
作為第4圖之方法的另一選項，原始材料層35可設置在載體基板32上，最先是設置在半導體雷射晶片4上，請參閱第4G圖，且在分開該載體基板32之後首先產生光學有效結構33，請參閱第4H圖。由於光學有效結構33之產生首先是在半導體晶片4上達成，則第4G圖之組件相對於半導體雷射4只需一種較粗略的預校準。
第5圖之實施例中顯示：存在多個半導體雷射晶片4。繞射式光學元件3以單件方式共同地越過這些半導體雷射晶片4而延伸。例如，繞射式光學元件3和半導體雷射晶片4經由仍處於晶圓複合物的晶圓結合(bond)而互相接觸，以形成接合區39。於此，繞射式光學元件3位於生長基板2之遠離半導體層序列40之一側上。側面處靠近具有活性區41之半導體層序列40存在著電性接觸區91、92。可選擇地，可進行一種未顯示的切割使成為各別的半導體雷射1，其各別具有一個或多個半導體雷射晶片4。
可選擇地，在繞射式光學元件3之遠離半導體層序列40之一側上存在著平坦化的層37，就像在所有其它的實施例中亦可能那樣，其中光學有效結構33位 於一外側上。
第6圖和第7圖中顯示：光學有效結構33直接形成在生長基板2中。依據第6圖，須形成電性接觸區91、92，使其一部份在半導體層序列40內部延伸，此處一接觸區92穿過具有活性區41之平面。就像在所有其它的實施例中那樣，可在具有活性區41之區域和生長基板2之間存在一佈拉格-鏡面46。可選擇地，平坦化的層37亦可存在。
氮化矽之折射率通常估計為大於2。在電漿促進的化學氣相沈積中，可產生低折射率的SiN：H-層，例如，在633奈米時大約1.85。第6圖之光學有效結構33特別是由SiN：H構成或亦可由藍寶石構成。
第7圖中該生長基板2和該繞射式光學元件3以單石方式達成積體化，以取代使用各別的繞射式光學元件，大致上就像結合第1圖、第3圖、第4圖或第5圖所示那樣。
第8圖中顯示：電性接觸區91、92位於生長基板2之不同側面上。對應的形式亦可用在所有其它的實施例中。
第9圖中顯示：繞射式光學元件3施加在具有半導體層序列40之此側上。於此，繞射式光學元件3可在橫向中突出於各別所屬的半導體層序列40或不是與所示者相同而是與半導體層序列40齊平，橫向是指：與生長方向G垂直的方向。此外，亦像在所有其它的實施例中那樣，一電性接觸區92可施加成平坦狀。
第10圖之實施例中，另外存在一種澆注材料7。於此，繞射式光學元件3主要是固定在連接劑5上，該連接劑5例如是黏合劑或可流動的氧化物。澆注材料7部份地到達繞射式光學元件3之面向半導體雷射晶片4之一側且部份地與光學有效結構33直接相接觸。
相對於此，依據第10B圖，繞射式光學元件3固定在該澆注材料7上，該澆注材料7同時亦是連接劑5。經由該澆注材料7可保護半導體雷射1使不受外部的影響。由於光學有效結構33之高折射率，則當該澆注材料7覆蓋及/或填充該光學有效結構33時該光學有效結構33未受損傷。
第10A圖和第10B圖中，光學有效結構33朝向半導體雷射晶片4或由半導體雷射晶片4離開。光學有效結構33之二種配置可能性可以類似方式來使用。
第11A圖中顯示：該連接劑5以框架形式施加在光發出面44上，此處直接位於產生雷射輻射用的活性區41上方的一區域優選為不具備該連接劑5。例如，該連接劑5是一種金屬層，使繞射式光學元件3例如可藉由焊接，大致上是共晶地(eutectically)、類(quasi)共晶地或等溫地(isothermally)充滿著，而接合至半導體雷射晶片4。該連接劑5可由多個部份層組成。
第11A圖中該連接劑5因此有一部份嵌接在光學有效結構33中。相對於此，第11B圖中光學有效結構33限制在活性區41上方的一區域上。因此，該連接劑5係與光學有效結構33相隔開。
第11A圖以及第11B圖中，在繞射式光學元件3和半導體雷射晶片4之間存在一間隙6，此間隙6較薄且例如以空氣填入。
依據第11圖，進行一種較準確的校準，以使繞射式光學元件3在該連接劑5上達成正確的調整，該連接劑5特別是形成為金屬框。
第12圖中顯示：該連接劑5係與半導體層序列40隔開。該連接劑5，例如，金屬平台，係與該生長基板2以及繞射式光學元件3直接相接觸。
相對於此，請參閱第12B圖，該連接劑5設置在一安裝載體8上且與半導體雷射晶片4未直接相接觸。繞射式光學元件3完全覆蓋半導體雷射晶片4。在連接劑5、半導體雷射晶片4之間，以及在半導體雷射晶片4和繞射式光學元件3之間分別形成一間隙6。
依據第13A圖，在該安裝載體8上設置多個半導體雷射晶片4。該些半導體雷射晶片4一起由單件的、相連的繞射式光學元件3覆蓋著。於此，繞射式光學元件3可在側面突出於半導體雷射晶片4。
相對於此，依據第13B圖，繞射式光學元件3本身形成一種用於半導體雷射晶片4之載體。於此，繞射式光學元件3可設有電性接觸結構(未顯示)。
依據第13圖，半導體雷射1具有多個半導體雷射晶片4，這在所有其它的實施例中亦可屬此種情況。完全一樣地，在這些實施例中分別只可存在一個或亦可有多個半導體雷射晶片4，其可具有多個雷射區或單一 雷射47，例如，一種由表面發射式垂直共振器雷射構成的陣列，亦稱為VCSEL-陣列，請參閱第14A圖中之俯視圖和第14B圖中之剖面圖。單一雷射47在俯視圖中例如配置成六角形或矩形或正方形的圖樣，這些單一雷射47因此可各別受到控制或亦只能全部一起操作。
在第15圖之製造方法中，半導體雷射1在透明的載體基板32上製造成覆晶(Flip-Chip)，該載體基板32大致上是由玻璃、BF33或藍寶石構成。在該載體基板32上施加平坦的繞射式光學元件3。
依據第15A圖，在例如由GaAs構成的生長基板2上以磊晶方式生長半導體層序列40。半導體層序列40由該生長基板2開始起算包括：第一佈拉格-鏡面46a、具有活性區41之區域、以及第二佈拉格-鏡面46b。此二個佈拉格-鏡面46a、46b優選為可導電且包括高折射率和低折射率交替的層。
第15B圖中顯示：在第二佈拉格-鏡面46b上產生一結合層93和陽極接觸區91。此結合層93例如由SiO2構成且該陽極接觸區91優選成由一個或多個金屬層構成。在由第二佈拉格-鏡面46a離開的方向中該陽極接觸區91和該結合層93優選為互相齊平。
第15C圖之步驟中，藉由晶圓結合而在該結合層93上施加透明的載體基板32。此步驟中，光學有效結構33可以已存在於載體基板32上或光學有效結構33只有稍後才設置在該載體基板32上。
晶圓結合例如是在SiO2上與SiO2直接結 合。光學有效結構33特別是可在該生長基板2去除之後且在晶圓結合之後以光微影術施加而成，這樣就可達成高的準確性。優選的是，在光學有效結構33上施加平坦化的層37，使光學有效結構33被埋藏著且不朝外裸露著。
第15D圖中將第一佈拉格-鏡面46a一部份去除，使具有活性區41之半導體層序列40的區域裸露著。優選的是，另外大致上藉由氧化而產生電流約束區48。因此，只在電流約束區48中使電流供應至活性區41，此乃因半導體層序列40在活性區41之區域中於平行於活性區41之方向中只具有小的可導電性。
最後，如第15E圖所示，施加一種填充材料94，其中埋置著第一佈拉格-鏡面46a。此填充材料94係具電性絕緣性且例如是一種自旋(spin on)-玻璃或像苯并環丁烯(簡稱BCB)之類的有機材料。
然後，優選為經由該填充材料94且經由第二佈拉格-鏡面46b而產生金屬接觸孔95。利用此接觸孔95使陽極接觸區91之區域在電性上連接至該結合層93。同樣，第一佈拉格-鏡面46a可經由一種金屬層而達成電性接觸。第一佈拉格-鏡面46a之此種接觸區優選為對操作時產生的雷射輻射具有反射性。因此，第一佈拉格-鏡面46a結合該接觸區一起成為金屬-佈拉格-混合鏡面。於是，第一佈拉格-鏡面46a具有很少的層對(pair)，例如，最多12個層對或最多6個層對。
最後，製成電性連接面以供二個接觸區91、 92使用。所述電性連接面可由該填充材料94大面積地覆蓋著。所述連接面位於一共同的平面中，使半導體雷射1成為SMT-構件且因此可表面接觸。
第16A圖之步驟類似於第15A圖之步驟來進行。
然而，不同於第15B圖，第16B圖中第二佈拉格-鏡面46b被結構化，使具有活性區41之半導體層序列40由遠離該生長基板2之一側裸露著。此外，電流約束區48設置在第二佈拉格-鏡面46b中。
於是，可選擇地以平面方式施加該填充材料94。然後，產生該陽極接觸區91和該結合層93且設置該繞射式光學元件3，類似於第15B圖和第15C圖。
最後，去除該生長基板2，請參閱第16D圖。
依據第16E圖，該接觸孔95經由第一佈拉格-鏡面46a且經由該填充材料94而朝向陽極接觸區91延伸至該結合層93。於此，可使用另一填充材料94使該接觸孔95成為與第一佈拉格-鏡面46a電性絕緣。
最後，產生多個連接面以供各接觸區91、92使用。這優選為與先前結合第15E圖所述者相同的方式來進行。
第15圖和第16圖的方法之不同處因此主要是在電流約束區48之位置。於是，只有第一佈拉格-鏡面46a或只有第二佈拉格-鏡面46b被該接觸孔95穿過。
相對於此，第17圖之實施例中該接觸孔95經由二個佈拉格-鏡面46a、46b而延伸。於此，優選為 在二個佈拉格-鏡面46a、46b中分別存在一個電流約束區48。於是，進行此二個佈拉格-鏡面46a、46b之結構化。只整面地保留著具有活性區41之半導體層序列40的區域，包括具有該接觸孔95之區域。換言之，第17圖之實施例是第15圖和第16圖之方法的組合。
就像亦在所有其它的實施例中那樣，該陽極接觸區91和該陰極接觸區92在電的極性上可互換。
此處描述的半導體雷射1中利用該繞射式光學元件可達成較高的積體化密度。亦可藉由VCSEL 4和光學元件3之晶圓-位準(level)-整合使成本下降。可安裝準確配合的光學元件，於此可製成對眼睛本來就安全的構件。可達成具有良好的熱連繫(link)之覆晶。因此，整體而言，經由晶圓-位準-校準可在VCSEL-晶片4和光學元件3之間達成高的校準精確性，同時使成本下降。
此外，由VCSEL-晶片4和光學元件3構成的複合物適用於例如以澆注來繼續加工及/或適用於埋置在其它材料中。這在該載體基板32內部中特別適用於平坦的積體式光學有效結構33。
各圖式中所示的組件只要未另外標明，則優先以設定的順序分別直接互相跟隨著。各圖式中不相接觸的各層互相隔開。只要各直線互相平行地顯示，則對應的平面同樣互相平行地對準。同樣，只要未另外標明，則所顯示的各個組件之相對的厚度比例、長度比例和位置可互相在圖式中正確地再設定。
本發明不限於依據各實施例所作的描述。反 之，本發明包含每一新的特徵和各特徵的每一種組合，特別是包含各專利請求項中各別特徵之每一種組合，當相關的特徵或相關的組合本身未明顯地顯示在各專利請求項中或各實施例中時亦屬本發明。
1‧‧‧半導體雷射
2‧‧‧生長基板
3‧‧‧繞射式光學元件
4‧‧‧半導體雷射晶片
37‧‧‧平面化的層
39‧‧‧接合區
40‧‧‧半導體層序列
41‧‧‧活性區
91‧‧‧陽極接觸區
92‧‧‧陰極接觸區
G‧‧‧生長方向
L‧‧‧雷射輻射

Claims (18)

  1. 一種半導體雷射(1)，具有：至少一表面發射式半導體雷射晶片(4)，其包括一半導體層序列(40)，該半導體層序列(40)具有：至少一個活性區(41)，以產生雷射輻射(L)；以及一光發出面(44)，其定向成垂直於該半導體層序列(40)之生長方向(G)，以及一繞射式光學元件(3)，其係用於擴大和分配雷射輻射(L)，其中該繞射式光學元件(3)之光學有效結構(33)係由折射率至少1.65的材料構成，該折射率係相對於該雷射輻射(L)的最大強度時的波長而言，且由於該繞射式光學元件(3)對該雷射輻射(L)所進行之擴大和分配，使該半導體雷射(1)對眼睛是安全的。
  2. 如請求項1之半導體雷射(1)，其中該繞射式光學元件(3)位於該光發出面(44)上，使該繞射式光學元件(3)和該半導體雷射晶片(4)之間至少部份地只存在用於該繞射式光學元件(3)之一連接劑(5)。
  3. 如請求項2之半導體雷射(1)，其中該連接劑(5)以整面形式存在於該光發出面(44)和該繞射式光學元件(3)之間，使該連接劑(5)完全覆蓋該光發出面(44)。
  4. 如請求項2之半導體雷射(1)，其中該連接劑(5)位於該繞射式光學元件(3)之一邊緣上，使該光發出面(44)未具有該連接劑(5)且在該繞射式光學元件(3)和該光發出面(44)之間至少部份地形成間隙(6)。
  5. 如請求項2至4中任一項之半導體雷射(1)，其中該連接劑(5)至少一部份嵌接在該光學有效結構(33)中且至少一部份完全填入該光學有效結構(33)中。
  6. 如請求項1之半導體雷射(1)，其中該繞射式光學元件(3)直接以整面方式位於該光發出面(44)上。
  7. 如請求項1至4中任一項之半導體雷射(1)，其中該繞射式光學元件(3)包括一載體基板(32)，該光學有效結構(33)位於該載體基板(32)之面向該光發出面(44)之一側上。
  8. 如請求項7之半導體雷射(1)，其中該光學有效結構(33)由半導體材料構成，該載體基板(32)是該光學有效結構(33)之半導體材料用的生長基板。
  9. 如請求項1之半導體雷射(1)，其中該半導體雷射晶片(4)包括該半導體層序列(40)之生長基板(2)且該繞射式光學元件(3)形成在該生長基板(2)之遠離該半導體層序列(40)之一側上，該繞射式光學元件(3)形成該光發出面(44)，使該繞射式光學元件(3)和該半導體雷射晶片(4)以單件方 式形成。
  10. 如請求項1之半導體雷射(1)，其中該半導體雷射晶片(4)和用於該繞射式光學元件(3)之該連接劑(5)安裝在一共同的安裝載體(8)上，使該連接劑(5)在俯視圖中觀看時只位於該半導體雷射晶片(4)附近且未接觸該半導體雷射晶片(4)，該連接劑(5)係與該安裝載體(8)及該繞射式光學元件(3)直接相接觸且該繞射式光學元件(3)完全覆蓋該半導體雷射晶片(4)。
  11. 如請求項1至4中任一項之半導體雷射(1)，其中包括多個半導體雷射晶片(4)，該等半導體雷射晶片(4)一起完全由該繞射式光學元件(3)覆蓋著，該繞射式光學元件(3)相連地且單件地形成。
  12. 如請求項1至4中任一項之半導體雷射(1)，其中該繞射式光學元件(3)和該半導體雷射晶片(4)之間的距離是該雷射輻射(L)之最大強度時的波長之最多十倍。
  13. 如請求項1至4中任一項之半導體雷射(1)，其中該繞射式光學元件(3)至少部份地直接由一澆注材料(7)包圍著，該澆注材料(7)與該光學有效結構(33)相接觸。
  14. 如請求項1至4中任一項之半導體雷射(1)，其中該繞射式光學元件(3)之該光學有效結構(33)係由折射率至少2.0之材料構成。
  15. 如請求項1至4中任一項之半導體雷射(1)，其中該半導體層序列(40)包括至少一佈拉格-鏡面(46a、46b)，其中該佈拉格-鏡面(46a、46b)被電性接觸孔(95)穿過且電性連接面位於該活性區(41)之一共同側上，使該半導體雷射(1)是可表面安裝的，且其中該佈拉格-鏡面(46a、46b)中產生一電流約束區(48)，使該活性區(41)在操作時只有在該電流約束區(48)之至少一電流通過區中被供應電流。
  16. 如請求項15之半導體雷射(1)，其中包括二個佈拉格-鏡面(46a、46b)，其位於該活性區(41)之不同側上，每一個佈拉格-鏡面(46a、46b)都被該接觸孔(95)穿過。
  17. 如請求項1至4中任一項之半導體雷射(1)，其中一陽極接觸區(91)或一陰極接觸區(92)在該半導體層序列(40)和該繞射式光學元件(3)之間延伸，使面向該繞射式光學元件(3)之一側上的該光發出面(44)在俯視圖中觀看時四周由該陽極接觸區(91)或該陰極接觸區(92)之材料包圍著，該陽極接觸區(91)或該陰極接觸區(92)對所產生的該雷射輻射(L)是不可透過的且具有金屬性。
  18. 一種如請求項1至17中任一項之半導體雷射(1)之製造方法，具有以下步驟製備半導體雷射晶片(4)，以及 將繞射式光學元件(3)設置於半導體雷射晶片(4)上或在該半導體雷射晶片(4)中形成該繞射式光學元件(3)。
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