WO2018192857A1 - Halbleiterlaser - Google Patents

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WO2018192857A1
WO2018192857A1 PCT/EP2018/059555 EP2018059555W WO2018192857A1 WO 2018192857 A1 WO2018192857 A1 WO 2018192857A1 EP 2018059555 W EP2018059555 W EP 2018059555W WO 2018192857 A1 WO2018192857 A1 WO 2018192857A1
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layer sequence
semiconductor layer
laser
carrier
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PCT/EP2018/059555
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Roland Heinrich Enzmann
Andreas Wojcik
Hubert Halbritter
Martin Rudolf Behringer
Josip Maric
Mariel Grace Jama
Berthold Hahn
Christian Müller
Isabel OTTO
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Publication date
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    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34313—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer having only As as V-compound, e.g. AlGaAs, InGaAs

Definitions

  • An object to be solved is to provide a semiconductor laser which is efficiently contactable and which is suitable for generating short laser pulses.
  • the semiconductor laser is a
  • Semiconductor laser is oriented parallel or approximately parallel to a growth direction of a semiconductor layer sequence.
  • the semiconductor laser may be an edge emitting laser.
  • the semiconductor laser may be an edge emitting laser.
  • Semiconductor layer sequence includes at least one active zone for generating laser radiation.
  • the active zone works by means of electroluminescence.
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on a III-V compound semiconductor material.
  • the semiconductor material is, for example, a nitride Compound semiconductor material such as Al n In ] __ n _ m Ga m N or a phosphide compound semiconductor material such as
  • Compound semiconductor material such as Al n In ] __ n _ m Ga m As or as Al n Ga m In] __ n _ m AskP] _- k, where each 0 ⁇ n 1, 0 ⁇ m 1 and n + m ⁇ 1 and 0 -S k ⁇ 1.
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on the
  • connection areas Semiconductor layer sequence on two opposite main sides electrical connection areas.
  • One of the connection areas is about a p-contact and the second connection area is an n-contact.
  • the electrical connection areas is the
  • Semiconductor layer sequence can be supplied with current.
  • the contact carrier has electrical contact surfaces for electrical contacting of the semiconductor layer sequence.
  • the contact carrier is that component of the semiconductor laser that carries and supports it mechanically. That is, without the contact carrier, the semiconductor laser would not be mechanically stable.
  • Semiconductor laser at least one electrical
  • Connection lines extend from a side of the semiconductor layer sequence facing away from the contact carrier to the contact carrier.
  • the connection line is, for example, an electrical conductor track or an electrical ribbon contact.
  • the connecting line may have an electrical feedthrough.
  • the second electrical connection region with one of
  • connection line on or in the semiconductor layer sequence. That is, the connection line is preferably mechanically coupled to the semiconductor layer sequence and in particular rigidly connected to the semiconductor layer sequence.
  • connection line is not a bonding wire.
  • the semiconductor laser is preferably a surface-emitting semiconductor laser and comprises a semiconductor layer sequence with an active zone for generating laser radiation. To each other
  • Contact carrier comprises electrical contact surfaces for
  • a electrical connection line extends from the contact carrier facing away from the main page
  • Connection line is on or in the
  • the semiconductor laser described here can be a surface-emitting laser, also known as a vertical cavity surface-emitting laser or VCSEL for short.
  • the semiconductor laser is designed as a flip-chip and preferably has an array of single emitters.
  • the use of thin film technologies, ie techniques in which a growth substrate is removed from the semiconductor layer sequence, allows a structuring of a
  • Through-contacts can be used, in particular silicon-based carriers, with so-called through-silicon vias.
  • thermal coupling such a semiconductor laser in flip-chip design offers further advantages. So can be dispensed with bonding wires, whereby lower production costs can be achieved. By dispensing with bonding wires, lower inductances at the connecting leads and thus shorter switching times can be realized. In addition, there is more freedom in the design of the package of
  • Semiconductor layer sequence can be attached without annoying bonding wires.
  • Bond wire contacting are such switching times
  • the function carrier can be a fast-switching
  • Circuit components such as capacitors for
  • Function carrier is particularly suitable for silicon.
  • Function bearers can be integrated with various functions, such as switches, power sources, integrated Circuits, memory units and / or sensors such as
  • Switching units are achievable low inductance, so that short laser pulses can be achieved at low supply voltage. This can be a lesser
  • the semiconductor laser described here offers the possibility of the inductance further by a
  • the semiconductor laser is surface mountable. That is, the semiconductor laser is an SMT component. According to at least one embodiment, the
  • Contact surfaces of the contact carrier in a common plane. This plane is aligned in particular parallel to the active zone and / or to the semiconductor layer sequence.
  • Contact surfaces may be completely or partially covered by the semiconductor layer sequence.
  • Resonator mirror available.
  • the resonator mirrors can be
  • Semiconductor layer sequence is located. At least one of the
  • Resonator mirror can lead to a current injection in the
  • Semiconductor layer sequence can be used.
  • the resonator longitudinal axis which is for example perpendicular to the resonator mirrors, is oriented perpendicular to the active zone. This makes it possible for the generated laser radiation to be emitted in the direction perpendicular to the contact carrier during operation.
  • a mean distance of the connecting line to the semiconductor layer sequence is at most 5 ym or 3 ym or 1 ym. Alternatively or additionally, this average distance is at least
  • the semiconductor laser is free of a growth substrate of the semiconductor layer sequence. That is, in the course of manufacturing the semiconductor laser, the growth substrate is removed from the semiconductor layer sequence.
  • the contact carrier consists of the contact surfaces and the potting.
  • the contact carrier consists of the contact surfaces and the potting.
  • Molden Potting produced by injection molding or die casting, also referred to as Molden. This is one
  • Material of the potting preferably a thermoplastic material.
  • the contact surfaces may be formed from one or more metal layers or a
  • transparent conductive oxide short TCO
  • the transparent conductive oxide include. According to at least one embodiment, the
  • Semiconductor layer sequence seen in plan view functionally divided into a plurality of individual laser emitters.
  • an array of the laser emitters is present, especially when seen in plan view, a regular, two-dimensional arrangement of the laser emitter.
  • the individual laser emitters can be identical and, for example, emit radiation of the same spectral composition as intended. Alternatively, it is possible for different laser emitters to be about to be generated of laser radiation of different wavelengths are present.
  • the laser emitters are electrically connected in parallel. This means that all laser emitters are electrically activated simultaneously. Alternatively, it is possible for the laser emitters to be electrically driven individually or in groups separately. According to at least one embodiment, the
  • Semiconductor laser one or more capacitors.
  • At least one capacitor is connected to the active zone
  • Pulse rise times of the laser radiation to be generated realized That is, the one or more capacitors are used to power the active zone.
  • Semiconductor laser one or more other capacitors.
  • the at least one further capacitor is electrically connected to the associated active zone, in particular electrically connected in series, but can also be electrically parallel
  • Capacitor About the electronic switching element, the associated capacity is controlled, in particular energized and / or emptied.
  • the electronic switching element it can be a transistor like one
  • these capacitors are electrically connected in parallel.
  • the capacities differ
  • the smaller capacitance capacitor is configured to energize the active region immediately after a turn-on operation
  • the at least one capacitor with the larger capacity can be mainly for a subsequent
  • the smaller capacitance capacitor is electrically connected directly to the active region. Direct electrical can mean that an electrical resistance between the capacitor and the active zone and / or the semiconductor layer sequence is at most 10 ⁇ or 5 ⁇ or 2 ⁇ . It is beyond that
  • Capacitance and the active zone is a resistor attached. This resistance is, for example, at least 100 ⁇ or 1 ⁇ or 10 k ⁇ and / or at most 100 k ⁇ .
  • Semiconductor laser one or more function carrier.
  • the at least one function carrier is at least one
  • the electronic component is, for example, a capacitor, a coil, a switching element such as a field effect transistor, a current source such as a controllable or switchable current source or a constant current source or a memory or a drive unit such as an ASIC.
  • the contact carrier is electrically and / or mechanically fastened to the function carrier.
  • the contact carrier is on the
  • the capacitor with the smaller capacitance is monolithically integrated into the function carrier as an electronic component.
  • the at least one further capacitor with the larger capacity is attached to the function carrier, for example soldered on.
  • the smaller capacitance capacitor has a capacitance of at most 1 nF or 0.1 nF.
  • the capacitance of the larger capacitor is preferably at least 1 nF or 10 nF or 100 nF.
  • the active zone covers the at least one electronic component in the
  • electrical contact points are set up for external electrical contacting of the semiconductor laser.
  • electrical contact points can be on a common page, especially the main page, the function carrier
  • the function carrier is located, especially on a side facing away from the semiconductor layer sequence.
  • the semiconductor laser can be contacted without bonding wires and / or is free from
  • the semiconductor laser is configured to generate laser pulses with a small average pulse duration.
  • the pulse duration is at least 0.2 ns or 0.5 ns and / or at most 5 ns or 2 ns.
  • Figures 1A to IE are schematic sectional views of
  • Figures 2A and 3A are schematic sectional views of
  • Figures 2B and 3B are schematic plan views
  • FIGS 4 and 6 to 8 are schematic sectional views of
  • FIGS. 5, 9 and 10 are schematic electrical diagrams of
  • FIG. 1 shows a production method for a
  • the semiconductor laser 1 is a surface emitting Semiconductor laser, also referred to as VCSEL.
  • VCSEL surface emitting Semiconductor laser
  • Semiconductor laser 1 is designed as a flip-chip in thin-film technology.
  • a semiconductor layer sequence 2 based on AlInGaAs is grown on a growth substrate 25.
  • the growth substrate 25 is, in particular, a GaAs substrate.
  • an etching stop layer 26 or a sacrificial layer 26 In the direction away from the growth substrate 25, an etching stop layer 26 or a sacrificial layer 26, a p-contact layer 27, a p-type current spreading layer 28, an active zone 20 for generating laser radiation, an n-type current spreading layer 29 and an n-type contact layer 24 follow one another. There may be other layers, not shown.
  • a first resonator mirror 41 follows the semiconductor layer sequence 2.
  • the first resonator mirror 41 is preferably a Bragg mirror.
  • the first resonator mirror 41 then has an alternating sequence of high and low refractive index layers.
  • the first resonator mirror 41 may be a part of the semiconductor layer sequence 2 and
  • the first resonator mirror 41 can also be produced independently of the semiconductor layer sequence 2.
  • a first electrical contact surface 31 is produced at a first electrical connection region 21 of the semiconductor layer sequence 2.
  • Contact surface 31 is produced, for example, by vapor deposition.
  • IC is illustrated that a second electrical
  • Contact surface 32 is also formed on the first resonator mirror 41.
  • the two contact surfaces 31, 32 cover a comparatively large proportion of
  • Contact surfaces 31, 32 formed of one or more metal layers.
  • the contact surfaces 31, 32 may be identical.
  • the contact surfaces 31, 32 pedestals can form about nickel.
  • the contact surfaces 31, 32 are surrounded by a potting 33.
  • the potting body 33 can terminate flush with the contact surfaces 31, 32 in the direction away from the growth substrate 25.
  • the finished semiconductor laser 1 is electrically contacted.
  • a contact carrier 3 is formed, which may be the mechanically finished component of the finished semiconductor laser 1.
  • the semiconductor layer sequence 2 with the first resonator mirror 41 is removed in regions from the contact carrier 3. Resulting side surfaces of the
  • Semiconductor layer sequence 2 are with a
  • Passivation layer 8 provided.
  • the passivation layer 8 is made of, for example, a nitride such as silicon nitride and has a thickness of approximately 100 nm.
  • a second resonator mirror 42 is applied, for example via sputtering and / or vapor deposition. Through the second Resonatorspeigel 42 through the laser radiation generated in operation L is emitted.
  • An electrical connection line 23 is formed over the side surfaces of the semiconductor layer sequence 2 and preferably directly on the passivation layer 8.
  • the electrical connection line 23 surrounds the second resonator mirror 42 all around and is in direct contact with the second electrical connection region 22 of the semiconductor layer sequence 2.
  • the second resonator mirror 42 such as a Bragg mirror, can be de-energized.
  • the connecting line 23 extends along the passivation layer 8 up to the second electrical contact surface 32.
  • the preferred metallic connecting line 23 so that the semiconductor layer sequence 2 by means of the contact surfaces 31, 32 are surface mountable electrically connected.
  • the electrical connection line 23 is round of the second
  • Resonator mirror 42 pulled toward the contact carrier 3.
  • the first electrical contact surface 31 is preferably circular around the second electrical
  • Semiconductor layer sequence 2 is attached and / or has a through-hole 23 a, which through the
  • Semiconductor layer sequence 2 passes through and in
  • Semiconductor layer sequence 2 and / or the resonator mirror 41, 42 is surrounded. Starting from a ring around the second
  • Semiconductor laser 1 in addition to a function carrier 5.
  • the semiconductor layer sequence 2 with the contact carrier 3 is mounted on the function carrier 5. It can the
  • Contact carrier 3 and the function carrier 5 may also be formed by a single, common component.
  • At least one electronic circuit on the function carrier 5 in addition to the semiconductor layer sequence 2, at least one electronic circuit
  • the connecting line 23 may be of a
  • FIG. 5 schematically illustrates an electrical interconnection within the semiconductor laser 1.
  • the active zone 20 is symbolized as a diode and electrically connected to a supply voltage V and to a ground contact, also referred to as ground, in short GND.
  • a field effect transistor 6 is present, with a
  • Signal line S is connected. Furthermore, two capacitors Cl, C2 are present. The capacitor Cl with the smaller one
  • Capacitance can be electrically connected in parallel with the active zone 20 and directly connected to the active zone 20 or the
  • the capacitors Cl, C2 serve as energy storage. Over the capacitor Cl with the smaller capacity, a rapid increase in the laser intensity can be achieved, so that the Capacitor Cl is a type of turn-on charge for, for example, the first 100 ps or 200 ps of the turn-on operation
  • Capacitor C2 with the larger capacity than energy storage for the pulsed operated active zone 20th
  • FIG. 6 illustrates that the switching element 6 is integrated in the function carrier 5. At one of the
  • Semiconductor layer sequence 2 opposite bottom are electrical contact points 51, 52 of the function carrier 5, via which the semiconductor laser 1 externally electrically
  • the semiconductor laser 1 is contactable. Thus, the semiconductor laser 1
  • Semiconductor layer sequence 2 preferably divided into a plurality of individual laser emitters 11.
  • the laser emitters 11 can be seen in plan view as a regular,
  • the laser emitters 11 are all electrically connected in parallel or separately or in groups separately electrically
  • each of the individual laser emitters 11 is annularly surrounded by an electrode such as the electrical connection line 23, cf. FIG. 2, seen in plan view.
  • the individual laser-active regions, in particular exactly one laser-active region per laser emitter 11, have
  • adjacent laser emitters 11 is for example at least 50 ym and / or at most 100 ym. This can be a grid of the laser emitter 11, for example, at least 70 ym and / or at most 200 ym.
  • a typical edge length of the semiconductor layer sequence 2 with the plurality of laser emitters 11 is, for example, 1 mm.
  • FIG. 7 illustrates that a controllable current source 7, which is controlled via the switching element 6, is integrated in the function carrier 5. This is the
  • Semiconductor laser 1 according to Figure 7 current controlled via the controllable and switchable current source. 7
  • Capacitor C integrated.
  • this capacitor C corresponds to the smaller-capacity capacitor Cl illustrated in FIG.
  • the semiconductor layer sequence 2 the entire main contact points 51, 52 facing away from the main page
  • a capacitor C is present, which is controlled by three switching elements 6 connected electrically in parallel.
  • the switching elements 6 are each connected to the signal line S.
  • the capacitor C in FIG. 9 may correspond to the capacitor C2 having the larger capacity in FIG.
  • the circuits of Figures 5 and 9 can be combined. It is possible that the switching elements 6 are mounted separately on the function carrier 5 or in the
  • Function carrier 5 are integrated, see approximately Figures 6 and 8.
  • three capacitors C are present, which are electrically connected in parallel.
  • the one is the capacitor of FIG. 9
  • the three capacitors C can be realized by individual, separate components or in a common
  • Function carrier 5 is applied.
  • all three capacitors C can be integrated in the function carrier 5, compare FIG. 8.

Landscapes

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Abstract

In einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser (1) umfasst eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer aktiven Zone (20) zur Erzeugung von Laserstrahlung (L). An einander gegenüberliegenden Hauptseiten der Halbleiterschichtenfolge (2) befinden sich zwei elektrische Anschlussbereiche (21, 22). Ein Kontaktträger (3) umfasst elektrische Kontaktflächen (31, 32) zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge (2). Eine elektrische Verbindungsleitung (23) reicht von der dem Kontaktträger (3) abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge (2) hin zum Kontaktträger (3). Die Verbindungsleitung (23) befindet sich an oder in der Halbleiterschichtenfolge (2).

Description

Beschreibung
HALBLEITERLASER Es wird ein Halbleiterlaser angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Halbleiterlaser anzugeben, der effizient kontaktierbar und der zur Erzeugung von kurzen Laserimpulsen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen Halbleiterlaser mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .
Gemäß zumindest einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Halbleiterlaser um einen
oberflächenemittierenden Halbleiterlaser. Das heißt, eine Emissionsrichtung und/oder eine Resonatorlängsachse des
Halbleiterlasers ist parallel oder näherungsweise parallel zu einer Wachstumsrichtung einer Halbleiterschichtenfolge orientiert. Alternativ kann es sich bei dem Halbleiterlaser um einen kantenemittierenden Laser handeln. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterlaser eine Halbleiterschichtenfolge. Die
Halbleiterschichtenfolge beinhaltet mindestens eine aktive Zone zur Erzeugung von Laserstrahlung. Die aktive Zone arbeitet mittels Elektrolumineszenz .
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III- V-Verbindungshalbleitermaterial . Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamN oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie
AlnIn]__n_mGamP oder auch um ein Arsenid-
Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n_mGamAs oder wie AlnGamIn]__n_mAskP]_-k, wobei jeweils 0 ^ n 1, 0 ^ m 1 und n + m < 1 sowie 0 -S k < 1 ist. Bevorzugt gilt dabei für zumindest eine Schicht oder für alle Schichten der
Halbleiterschichtenfolge 0 < n < 0,8, 0,4 < m < 1 und n + m < 0,95 sowie 0 < k < 0,5. Dabei kann die
Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche
Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also AI, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge auf dem
Materialsystem AlInGaAs. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Halbleiterschichtenfolge an zwei einander gegenüberliegenden Hauptseiten elektrische Anschlussbereiche auf. Bei einem der Anschlussbereiche handelt es sich etwa um einen p-Kontakt und bei dem zweiten Anschlussbereich um einen n-Kontakt. Über die elektrischen Anschlussbereiche ist die
Halbleiterschichtenfolge bestrombar .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterlaser einen Kontaktträger. Der Kontaktträger verfügt über elektrische Kontaktflächen zur elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge. Zum Beispiel handelt es sich bei dem Kontaktträger um diejenige Komponente des Halbleiterlasers, die diesen mechanisch trägt und stützt. Das heißt, ohne den Kontaktträger wäre der Halbleiterlaser mechanisch nicht stabil.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Halbleiterlaser mindestens eine elektrische
Verbindungsleitung auf. Die eine oder die mehreren
Verbindungsleitungen reichen von einer dem Kontaktträger abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge hin zu dem Kontaktträger. Bei der Verbindungsleitung handelt es sich beispielsweise um eine elektrische Leiterbahn oder eine elektrische Flachbandkontaktierung . Die Verbindungsleitung kann eine elektrische Durchkontaktierung aufweisen.
Insbesondere ist über die elektrische Verbindungsleitung der zweite elektrische Anschlussbereich mit einer der
elektrischen Kontaktflächen des Kontaktträgers elektrisch verbunden, insbesondere unmittelbar elektrisch verbunden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die
Verbindungsleitung an oder in der Halbleiterschichtenfolge. Das heißt, die Verbindungsleitung ist bevorzugt mechanisch an die Halbleiterschichtenfolge gekoppelt und insbesondere starr mit der Halbleiterschichtenfolge verbunden. Mit anderen
Worten handelt es sich bei der Verbindungsleitung dann nicht um einen Bonddraht.
In mindestens einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser bevorzugt ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser und umfasst eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone zur Erzeugung von Laserstrahlung. An einander
gegenüberliegenden Hauptseiten der Halbleiterschichtenfolge befinden sich zwei elektrische Anschlussbereiche. Ein
Kontaktträger umfasst elektrische Kontaktflächen zur
elektrischen Kontaktierung der Halbleiterschichtenfolge. Eine elektrische Verbindungsleitung reicht von der dem Kontaktträger abgewandten Hauptseite der
Halbleiterschichtenfolge hin zum Kontaktträger, insbesondere bis hin zu einer der elektrischen Kontaktflächen. Die
Verbindungsleitung befindet sich an oder in der
Halbleiterschichtenfolge .
Mit anderen Worten kann es sich bei dem hier beschriebenen Halbleiterlaser um einen oberflächenemittierenden Laser, auch als Vertical Cavity Surface Emitting Laser oder kurz VCSEL, handeln. Der Halbleiterlaser ist als Flip-Chip gestaltet und verfügt bevorzugt über ein Array von Einzelemittern. Speziell die Verwendung von Dünnfilmtechnologien, also Techniken, bei denen ein Aufwachssubstrat von der Halbleiterschichtenfolge entfernt wird, erlaubt eine Strukturierung eines
Halbleiterwafers von beiden Hauptseiten her. So können auf einer Hauptseite insbesondere galvanisch mehrere bevorzugt dicke Podeste, etwa Nickelpodeste, aufgebracht werden, um auf diese Weise p-Kontakte und/oder n-Kontakte auf einer einzigen Hauptseite zu realisieren. Alternativ können Träger mit
Durchkontaktierungen verwendet werden, insbesondere Träger auf Siliziumbasis, mit sogenannten Through-Silicon Vias.
Zusätzlich zu den Vorteilen der Verwendung von
Dünnfilmtechnologien, insbesondere eine verbesserte
thermischen Ankopplung, bietet ein solcher Halbleiterlaser in Flip-Chip-Bauweise weitere Vorteile. So kann auf Bonddrähte verzichtet werden, wodurch geringere Herstellungskosten erzielbar sind. Durch den Verzicht auf Bonddrähte können niedrigere Induktivitäten an den Anschlussleitungen und damit kleinere Schaltzeiten realisiert werden. Außerdem bestehen mehr Freiheiten bei der Gestaltung des Packages des
Halbleiterlasers. Unter anderem können geringere Bauteilhöhen realisiert werden, insbesondere, da die Bonddrähte wegfallen. Weiterhin ist eine Direktmontage auf einem Treiber wie einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, kurz ASIC, möglich. Zudem kann eine Optik direkt an der
Halbleiterschichtenfolge oder nahe an der
Halbleiterschichtenfolge angebracht werden, ohne störende Bonddrähte .
Speziell bei laufzeitabhängigen Anwendungen, sogenannten TOF- Anwendungen oder Time Of Flight-Anwendungen, werden immer kürzere Lichtimpulse auch in Sub-Nanosekunden-Bereich
benötigt. In konventionellen diskreten Aufbauten mit
Bonddrahtkontaktierung sind solche Schaltzeiten
betriebsbedingt aufgrund von relativ hohen Induktivitäten, etwa korreliert mit Leiterbahnen auf einer gedruckten
Leiterplatte oder mit Bonddrähten, nicht oder nur schwer möglich .
Dadurch, dass die Halbleiterschichtenfolge mit der aktiven Zone direkt auf einen Funktionsträger aufgebracht wird, sind
Induktivtäten der elektrischen Zuleitungen reduzierbar.
Insbesondere kann der Funktionsträger eine schnell schaltbare
Stromquelle oder schnell schaltbare Schalter wie
Feldeffekttransistoren oder auch weitere
Schaltungskomponenten wie Kondensatoren zur
Energiespeicherung oder eine komplette Treiberschaltung integriert aufweisen. Somit ist es durch die Verwendung von
Dünnfilmtechnologien ermöglicht, einen
oberflächenmontierbaren Laser oder Teile davon auf einen Funktionsträger umzubonden. Als Material für den
Funktionsträger ist besonders Silizium geeignet. In den
Funktionsträger können diverse Funktionen integriert werden, beispielsweise Schalter, Stromquellen, integrierte Schaltkreise, Speichereinheiten und/oder Sensoren wie
Temperatursensoren .
Speziell aufgrund der möglichen Vollintegration von
Schalteinheiten sind geringe Induktivtäten erzielbar, sodass sich kurze Laserimpulse bei niedriger Versorgungsspannung erreichen lassen. Damit können ein geringerer
Leistungsverbrauch und geringere thermische Belastungen einhergehen. So sind eine Platzersparnis und eine
Kostenersparnis realisierbar, insbesondere in mobilen
Geräten, da Teile einer Treiberstufe bereits integriert sein können und auf die Halbleiterschichtenfolge angepasst werden können. Es sind auch schnellere Designzyklen bei einem Kunden ermöglicht, da keine komplexe Neuentwicklung einer
Treiberstufe erforderlich ist.
Außerdem bietet der hier beschriebene Halbleiterlaser die Möglichkeit, die Induktivität weiter durch eine
Parallelisierung der Treiberstruktur zu minimieren und schnellere Anstiegszeiten der Laserimpulse zu erreichen. Dies ist insbesondere durch die Verwendung von mehreren parallelen Schaltelementen und/oder mehreren parallelen Zuleitungen möglich, da in jedem Strompfad dann nur ein Bruchteil eines Gesamtstroms fließt. Die schnelleren Schaltzeiten ergeben sich insbesondere aus dem nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Stromstärke und der Induktivität. Damit sind stärkere Stromimpulse und kürzere Laserimpulse bei einer höheren
Effizienz realisierbar. Außerdem weist das Gesamtsystem eine Redundanz auf und/oder eine Steuerung des maximalen Stroms ist vereinfacht. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser oberflächenmontierbar . Das bedeutet, der Halbleiterlaser ist ein SMT-Bauteil. Gemäß zumindest einer Ausführungsform befinden sich die
Kontaktflächen des Kontaktträgers in einer gemeinsamen Ebene. Diese Ebene ist insbesondere parallel zur aktiven Zone und/oder zur Halbleiterschichtenfolge ausgerichtet. Die
Kontaktflächen können vollständig oder teilweise von der Halbleiterschichtenfolge überdeckt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind zwei
Resonatorspiegel vorhanden. Die Resonatorspiegel können
Bragg-Spiegel sein oder kombinierte Spiegel, die aus
Schichten unterschiedlicher Brechungsindices und aus
abschließenden Metallschichten zusammengesetzt sind. Es ist möglich, dass zumindest einer der Resonatorspiegel
epitaktisch gewachsen ist und sich direkt an der
Halbleiterschichtenfolge befindet. Zumindest einer der
Resonatorspiegel kann zu einer Stromeinprägung in der
Halbleiterschichtenfolge verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die
Resonatorspiegel und/oder die aktive Zone parallel zum
Kontaktträger und/oder zur Ebene mit den Kontaktflächen orientiert. Insbesondere ist die Resonatorlängsachse, die beispielsweise senkrecht auf den Resonatorspiegeln steht, senkrecht zur aktiven Zone orientiert. Damit ist es möglich, dass im Betrieb die erzeugte Laserstrahlung in Richtung senkrecht zum Kontaktträger emittiert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein mittlerer Abstand der Verbindungsleitung zur Halbleiterschichtenfolge bei höchstens 5 ym oder 3 ym oder 1 ym. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser mittlere Abstand bei mindestens
0,1 ym oder 0,2 ym oder 0,3 ym. Insbesondere liegt zwischen der Verbindungsleitung und der Halbleiterschichtenfolge lediglich eine Passivierungsschicht zur elektrischen
Isolation und Passivierung der Halbleiterschichtenfolge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser frei von einem Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge. Das heißt, im Verlauf der Herstellung des Halbleiterlasers wird das Aufwachssubstrat von der Halbleiterschichtenfolge entfernt .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
Kontaktträger die Kontaktflächen und einen Vergusskörper. Es ist möglich, dass der Kontaktträger aus den Kontaktflächen und dem Vergusskörper besteht. Insbesondere ist der
Vergusskörper über ein Spritzgießen oder ein Druckgießen hergestellt, auch als Molden bezeichnet. Damit ist ein
Material des Vergusskörpers bevorzugt ein thermoplastischer Kunststoff. Die Kontaktflächen können aus einer oder aus mehreren Metallschichten gebildet sein oder auch ein
transparentes leitfähiges Oxid, kurz TCO, umfassen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Halbleiterschichtenfolge in Draufsicht gesehen funktional in eine Vielzahl einzelner Laseremitter unterteilt. Somit liegt ein Array der Laseremitter vor, insbesondere in Draufsicht gesehen eine regelmäßige, zweidimensionale Anordnung der Laseremitter. Die einzelnen Laseremitter können baugleich sein und beispielsweise bestimmungsgemäß Strahlung derselben spektralen Zusammensetzung emittieren. Alternativ ist es möglich, dass verschiedene Laseremitter etwa zur Erzeugung von Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen vorhanden sind .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Laseremitter elektrisch parallel geschaltet. Das heißt, alle Laseremitter werden elektrisch gleichzeitig angesteuert. Alternativ ist es möglich, dass die Laseremitter elektrisch einzeln oder in Gruppen separat ansteuerbar sind. Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterlaser einen oder mehrere Kondensatoren. Der
mindestens eine Kondensator ist mit der aktiven Zone
elektrisch verbunden, insbesondere parallel geschaltet. Über den zumindest einen Kondensator sind schnelle
Impulsanstiegszeiten der zu erzeugenden Laserstrahlung realisierbar. Das heißt, der oder die Kondensatoren dienen zur Stromversorgung der aktiven Zone.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterlaser einen oder mehrere weitere Kondensatoren. Der mindestens eine weitere Kondensator ist mit der zugehörigen aktiven Zone elektrisch verbunden, insbesondere elektrisch in Serie geschaltet, kann aber auch elektrisch parallel
geschaltet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist zumindest einem der Kondensatoren oder ist mehreren Kondensatoren oder sind
Gruppen der Kondensatoren oder ist allen Kondensatoren gemeinsam ein elektronisches Schaltelement zugeordnet. Dies gilt insbesondere für den mindestens einen weiteren
Kondensator. Über das elektronische Schaltelement ist die zugehörige Kapazität ansteuerbar, insbesondere bestrombar und/oder entleerbar. Bei dem elektronischen Schaltelement kann es sich um einen Transistor wie einen
Feldeffekttransistor, kurz FET, handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mehrere der
Kondensatoren und mehrere der Schaltelemente vorhanden. Es ist möglich, dass eine 1 : 1-Zuordnung zwischen diesen
Kondensatoren und den Schaltelementen besteht. Dabei können diese Schaltelemente elektrisch parallel zueinander
geschaltet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mindestens zwei oder mindestens drei Kondensatoren vorhanden, die die gleiche Kapazität aufweisen. Dies gilt insbesondere mit einer
Toleranz von höchstens 50 % oder 25 % oder 10 %. Bevorzugt sind diese Kondensatoren elektrisch parallel geschaltet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind mindestens zwei oder genau zwei Kondensatoren oder Gruppen von Kondensatoren vorhanden, deren Kapazitäten stark unterschiedlich sind.
Beispielsweise unterscheiden sich die Kapazitäten um
mindestens einen Faktor 20 oder 50 oder 100. Alternativ oder zusätzlich unterscheiden sich die Kapazitäten um höchstens einen Faktor 1000 oder 500 oder 200 voneinander. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Kondensator mit der kleineren Kapazität dazu eingerichtet, die aktive Zone unmittelbar nach einem Einschaltvorgang mit Strom zu
versorgen. Der zumindest eine Kondensator mit der größeren Kapazität kann hauptsächlich zu einer nachfolgenden
Stromversorgung eingerichtet sein. Hierdurch lassen sich besonders kurze Impulsanstiegszeiten der Laserstrahlung realisieren . Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Kondensator mit der kleineren Kapazität elektrisch direkt mit der aktiven Zone verbunden. Elektrisch direkt kann bedeuten, dass ein elektrischer Widerstand zwischen dem Kondensator und der aktiven Zone und/oder der Halbleiterschichtenfolge höchstens 10 Ω oder 5 Ω oder 2 Ω beträgt. Darüber hinaus ist es
möglich, dass zwischen dem Kondensator mit der größeren
Kapazität und der aktiven Zone ein Widerstand angebracht ist. Dieser Widerstand beträgt beispielsweise mindestens 100 Ω oder 1 ΚΩ oder 10 kΩ und/oder höchstens 100 kQ.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterlaser einen oder mehrere Funktionsträger. In den mindestens einen Funktionsträger ist zumindest eine
elektronische Komponente integriert. Bei der elektronischen Komponente handelt es sich etwa um einen Kondensator, eine Spule, ein Schaltelement wie ein Feldeffekttransistor, eine Stromquelle wie eine steuerbare oder schaltbare Stromquelle oder eine Konstantstromquelle oder um einen Speicher oder eine Ansteuereinheit wie einen ASIC.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Kontaktträger auf dem Funktionsträger elektrisch und/oder mechanisch befestigt. Bevorzugt ist der Kontaktträger auf den
Funktionsträger angelötet oder elektrisch leitfähig geklebt, insbesondere ohne die Verwendung von Bonddrähten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist als elektronische Komponente der Kondensator mit der kleineren Kapazität monolithisch in den Funktionsträger integriert. Alternativ oder zusätzlich ist der zumindest eine weitere Kondensator mit der größeren Kapazität an dem Funktionsträger angebracht, beispielsweise aufgelötet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Kondensator mit der kleineren Kapazität eine Kapazität von höchstens 1 nF oder 0,1 nF auf. Die Kapazität des größeren Kondensators liegt bevorzugt bei mindestens 1 nF oder 10 nF oder 100 nF.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform überdeckt die aktive Zone die zumindest eine elektronische Komponente in dem
Funktionsträger teilweise oder vollständig. Hierdurch ist eine besonders platzsparende Anordnung realisierbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Funktionsträger elektrische Kontaktstellen auf. Die
elektrischen Kontaktstellen sind zur externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterlasers eingerichtet. Die
elektrischen Kontaktstellen können sich an einer gemeinsamen Seite, insbesondere Hauptseite, des Funktionsträgers
befinden, speziell an einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite. Damit kann der Funktionsträger
oberflächenmontierbar sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser ohne Bonddrähte kontaktierbar und/oder ist frei von
Bonddrähten. Damit können geringe Induktivitäten in den elektrischen Zuleitungen realisiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser dazu eingerichtet, Laserimpulse mit einer kleinen mittleren Impulsdauer zu erzeugen. Beispielsweise liegt die Impulsdauer bei mindestens 0,2 ns oder 0,5 ns und/oder bei höchstens 5 ns oder 2 ns . Nachfolgend wird ein hier beschriebener Halbleiterlaser unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
Figuren 1A bis IE schematische Schnittdarstellungen von
Verfahrensschritten zur Herstellung eines hier beschriebenen Halbleiterlasers, Figuren 2A und 3A schematische Schnittdarstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen
Halbleiterlasern,
Figuren 2B und 3B schematische Draufsichten auf
Ausführungsbeispiele von hier beschriebenen
Halbleiterlasern,
Figuren 4 und 6 bis 8 schematische Schnittdarstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen
Halbleiterlasern, und
Figuren 5, 9 und 10 schematische elektrische Schaltpläne von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen
Halbleiterlasern.
In Figur 1 ist ein Herstellungsverfahren für einen
Halbleiterlaser 1 illustriert. Bei dem Halbleiterlaser 1 handelt es sich um einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, auch als VCSEL bezeichnet. Der
Halbleiterlaser 1 ist als Flip-Chip in Dünnfilmtechnik gestaltet . Gemäß Figur 1A wird eine Halbleiterschichtenfolge 2 auf Basis von AlInGaAs auf einem Aufwachssubstrat 25 aufgewachsen. Bei dem Aufwachssubstrat 25 handelt es sich insbesondere um ein GaAs-Substrat . In Richtung weg von dem Aufwachssubstrat 25 folgen eine Ätzstoppschicht 26 oder eine Opferschicht 26, eine p-Kontaktschicht 27, eine p-StromaufWeitungsschicht 28, eine aktive Zone 20 zur Erzeugung von Laserstrahlung, eine n- Stromaufweitungsschicht 29 sowie eine n-Kontaktschicht 24 aufeinander. Es können weitere, nicht dargestellte Schichten vorhanden sein.
An einer dem Aufwachssubstrat 25 abgewandten Seite folgt auf die Halbleiterschichtenfolge 2 ein erster Resonatorspiegel 41. Bei dem ersten Resonatorspiegel 41 handelt es sich bevorzugt um einen Bragg-Spiegel . Der erste Resonatorspiegel 41 weist dann eine wechselnde Abfolge von Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex auf.
Wie in Figur 1B illustriert, kann der erste Resonatorspiegel 41 ein Teil der Halbleiterschichtenfolge 2 sein und
epitaktisch gewachsen sein. Alternativ, wie in Verbindung mit Figur 1A illustriert, kann der erste Resonatorspiegel 41 auch unabhängig von der Halbleiterschichtenfolge 2 erzeugt sein.
Ferner ist in Figur 1B illustriert, dass an einem ersten elektrischen Anschlussbereich 21 der Halbleiterschichtenfolge 2 eine erste elektrische Kontaktfläche 31 erzeugt wird. Die erste elektrische Kontaktfläche 31 kann zusammen mit dem ersten Resonatorspiegel 41 einen kombinierten Spiegel für die erzeugte Laserstrahlung L bilden. Die erste elektrische
Kontaktfläche 31 wird beispielsweise mittels Aufdampfen erzeugt . In Figur IC ist illustriert, dass eine zweite elektrische
Kontaktfläche 32 ebenfalls an dem ersten Resonatorspiegel 41 gebildet wird. Die beiden Kontaktflächen 31, 32 bedecken einen vergleichsweise großen Anteil der
Halbleiterschichtenfolge 2. Bevorzugt sind beide
Kontaktflächen 31, 32 aus einer oder mehreren Metallschichten gebildet. Die Kontaktflächen 31, 32 können baugleich sein.
Gemäß Figur 1D werden die Kontaktflächen 31, 32 etwa
galvanisch verstärkt. Damit können die Kontaktflächen 31, 32 Podeste etwa aus Nickel bilden. Die Kontaktflächen 31, 32 sind von einem Vergusskörper 33 umgeben. Der Vergusskörper 33 kann in Richtung weg von dem Aufwachssubstrat 25 bündig mit den Kontaktflächen 31, 32 abschließen. Über die so erzeugten Kontaktflächen 31, 32 ist der fertige Halbleiterlaser 1 elektrisch Kontaktierbar. Durch den Vergusskörper 33 und die verstärkten Kontaktflächen 31, 32 wird ein Kontaktträger 3 gebildet, der die den fertigen Halbleiterlaser 1 mechanisch tragende Komponente sein kann. Beim Verfahrensschritt, wie in Verbindung mit Figur IE gezeigt, wird die Halbleiterschichtenfolge 2 mit dem ersten Resonatorspiegel 41 bereichsweise von dem Kontaktträger 3 entfernt. Resultierende Seitenflächen der
Halbleiterschichtenfolge 2 werden mit einer
Passivierungsschicht 8 versehen. Die Passivierungsschicht 8 ist beispielsweise aus einem Nitrid wie Siliziumnitrid und weist etwa eine Dicke von ungefähr 100 nm auf. Auf einen dem Träger 3 abgewandten zweiten elektrischen Anschlussbereich 22 wird ein zweiter Resonatorspiegel 42 aufgebracht, beispielsweise über Sputtern und/oder Aufdampfen. Durch den zweiten Resonatorspeigel 42 hindurch wird die im Betrieb erzeugte Laserstrahlung L emittiert.
Über den Seitenflächen der Halbleiterschichtenfolge 2 und bevorzugt direkt auf der Passivierungsschicht 8 wird eine elektrische Verbindungsleitung 23 ausgeformt. Die elektrische Verbindungsleitung 23 umschließt den zweiten Resonatorspiegel 42 ringsum und steht in direktem Kontakt mit dem zweiten elektrischen Anschlussbereich 22 der Halbleiterschichtenfolge 2. Der zweite Resonatorspiegel 42, etwa ein Bragg-Spiegel , kann stromlos sein. Ausgehend von dem zweiten
Anschlussbereich 22 erstreckt sich die Verbindungsleitung 23 entlang der Passivierungsschicht 8 bis hin zur zweiten elektrischen Kontaktfläche 32. Über die bevorzugt metallische Verbindungsleitung 23 ist damit die Halbleiterschichtenfolge 2 mittels der Kontaktflächen 31, 32 oberflächenmontierbar elektrisch anschließbar sein.
Bevorzugt erfolgt vor dem Erzeugen der Passivierungsschicht 8 eine laterale Stromeinengung mittels Oxidation von einer der Schichten der Halbleiterschichtenfolge 2, nicht dargestellt. Beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist die elektrische Verbindungsleitung 23 ringsum von dem zweiten
Resonatorspiegel 42 hin zu dem Kontaktträger 3 gezogen.
Dadurch ist die erste elektrische Kontaktfläche 31 bevorzugt ringsum kreisförmig von der zweiten elektrischen
Kontaktfläche 32 umgeben. Ebenso der zweite Resonatorspiegel 42 ist ringsum von der Verbindungsleitung 23 umschlossen, im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der Figur 2 dem der Figur 1. In Verbindung mit Figur 3 ist illustriert, dass die
Verbindungsleitung 23 entweder an Seitenflächen der
Halbleiterschichtenfolge 2 angebracht ist und/oder über eine Durchkontaktierung 23a verfügt, die durch die
Halbleiterschichtenfolge 2 hindurch verläuft und in
Draufsicht gesehen ringsum von einem Material der
Halbleiterschichtenfolge 2 und/oder der Resonatorspiegel 41, 42 umgeben ist. Ausgehend von einem Ring um den zweiten
Resonatorspiegel 42 herum kann sich die elektrische
Verbindungsleitung 23 streifenförmig hin zur
Durchkontaktierung 23a erstrecken.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 weist der
Halbleiterlaser 1 zusätzlich einen Funktionsträger 5 auf. Die Halbleiterschichtenfolge 2 mit dem Kontaktträger 3 ist auf dem Funktionsträger 5 angebracht. Dabei können der
Kontaktträger 3 und der Funktionsträger 5 auch durch eine einzige, gemeinsame Komponente gebildet sein.
Optional ist auf dem Funktionsträger 5 zusätzlich zu der Halbleiterschichtenfolge 2 zumindest eine elektronische
Komponente wie ein Kondensator C, ein elektronisches
Schaltelement 6 oder eine steuerbare Stromquelle 7
angebracht. Weiterhin können auf oder in den Funktionsträger 5 Speicherbausteine oder integrierte Schaltkreise wie ein ASIC vorhanden sein, nicht gezeichnet.
Die Verbindungsleitung 23 kann sich von einer dem
Funktionsträger 5 abgewandten Seite der
Halbleiterschichtenfolge 20 bis hin zu der elektronischen Komponenten C, 6, 7 erstrecken. Alternativ können
zusätzliche, nicht gezeichnete elektrische Leitungen vorhanden sein. Solche elektrischen Leitungen können auf und/oder innerhalb des Funktionsträgers 5 verlaufen.
In Figur 5 ist schematisch eine elektrische Verschaltung innerhalb des Halbleiterlasers 1 veranschaulicht. Die aktive Zone 20 ist als Diode symbolisiert und elektrisch mit einer Versorgungsspannung V und mit einem Erdkontakt, auch als Ground bezeichnet, kurz GND, verbunden. Als Schaltelement ist ein Feldeffekttransistor 6 vorhanden, der mit einer
Signalleitung S verbunden ist. Ferner sind zwei Kondensatoren Cl, C2 vorhanden. Der Kondensator Cl mit der kleineren
Kapazität kann parallel zur aktiven Zone 20 elektrisch verschaltet und direkt mit der aktiven Zone 20 oder der
Halbleiterschichtenfolge verbunden sein. Parallel zum ersten Kondensator Cl ist ein zweiter Kondensator C2 mit einer größeren Kapazität vorhanden, der über einen Widerstand R mit der aktiven Zone 20 verbunden ist. Ein entsprechender Aufbau kann in allen anderen Ausführungsbeispielen vorhanden sein. Bevorzugt sind das Schaltelement 6, die
Halbleiterschichtenfolge 2 mit der aktiven Zone 20 sowie der Kondensator Cl mit der kleineren Kapazität unmittelbar an oder in dem Funktionsträger 5 angebracht. Speziell sind das Schaltelement 6 und der Kondensator Cl in dem etwa auf silizium basierenden Funktionsträger 5 integriert. Bei dem optionalen Widerstand R und dem Kondensator C2 mit der größeren Kapazität kann es sich um zusätzlich auf den
Funktionsträger 5 aufgebrachte Komponenten handeln,
vergleiche auch Figur 4.
Die Kondensator Cl, C2 dienen als Energiespeicher. Über den Kondensator Cl mit der kleineren Kapazität ist ein schnelles Ansteigen der Laserintensität erreichbar, sodass der Kondensator Cl eine Art Einschaltladung für beispielsweise die ersten 100 ps oder 200 ps des Einschaltvorgangs zur
Verfügung stellt. Nachfolgend dient im Wesentlichen der
Kondensator C2 mit der größeren Kapazität als Energiespeicher für die gepulst betriebene aktive Zone 20.
In Figur 6 ist veranschaulicht, dass das Schaltelement 6 in dem Funktionsträger 5 integriert ist. An einer der
Halbleiterschichtenfolge 2 abgewandten Unterseite befinden sich elektrische Kontaktstellen 51, 52 des Funktionsträgers 5, über die der Halbleiterlaser 1 extern elektrisch
kontaktierbar ist. Damit ist der Halbleiterlaser 1
spannungsgesteuert . Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist die
Halbleiterschichtenfolge 2 bevorzugt in eine Vielzahl von einzelnen Laseremittern 11 unterteilt. Die Laseremitter 11 können in Draufsicht gesehen als regelmäßiges,
zweitdimensionales Array angeordnet sein. Es ist möglich, dass die Laseremitter 11 alle elektrisch parallel geschaltet sind oder einzeln oder in Gruppen separat elektrisch
ansteuerbar sind.
Bevorzugt ist jeder der einzelnen Laseremitter 11 ringförmig von einer Elektrode wie der elektrischen Verbindungsleitung 23, vergleiche Figur 2, in Draufsicht gesehen umgeben. Die einzelnen laseraktiven Bereiche, insbesondere genau ein laseraktiver Bereich pro Laseremitter 11, weisen
beispielsweise einen Durchmesser von mindestens 20 ym
und/oder höchstens 50 ym auf. Ein Abstand zwischen
benachbarten Laseremittern 11 liegt beispielsweise bei mindestens 50 ym und/oder höchstens 100 ym. Damit kann ein Rastermaß der Laseremitter 11 beispielsweise bei mindestens 70 ym und/oder bei höchstens 200 ym liegen. Eine typische Kantenlänge der Halbleiterschichtenfolge 2 mit der Vielzahl von Laseremittern 11 liegt zum Beispiel bei 1 mm. In Figur 7 ist illustriert, dass in dem Funktionsträger 5 eine steuerbare Stromquelle 7 integriert ist, die über das Schaltelement 6 angesteuert wird. Damit ist der
Halbleiterlaser 1 gemäß Figur 7 stromgesteuert über die steuerbare und schaltbare Stromquelle 7.
In der bevorzugten Ausführungsform der Figur 8 ist zusätzlich zu dem Schaltelement 6 in dem Funktionsträger 5 ein
Kondensator C integriert. Insbesondere entspricht dieser Kondensator C dem in Figur 5 illustrierten Kondensator Cl mit der kleineren Kapazität.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen ist es möglich, dass die Halbleiterschichtenfolge 2 die gesamte den Kontaktstellen 51, 52 abgewandte Hauptseite des
Funktionsträgers 5 bedeckt. Damit sind auch die
elektronischen Komponenten C, 6, 7 von der
Halbleiterschichtenfolge 2 überdeckt. Abweichend hiervon ist es möglich, dass die Halbleiterschichtenfolge 2 seitlich von dem Funktionsträger 5 überragt wird.
Bei dem Schaltungsaufbau der Figur 9 ist ein Kondensator C vorhanden, der von drei elektrisch parallel geschalteten Schaltelementen 6 angesteuert wird. Die Schaltelemente 6 sind jeweils mit der Signalleitung S verbunden. Somit fließt über jedes der Schaltelemente 6 beim Schalten des Kondensators C ein vergleichsweise geringer Strom, sodass eine Induktivität aufgrund des nicht linearen Zusammenhangs zwischen der
Stromstärke und der Induktivität insgesamt reduzierbar ist. Der Kondensator C in Figur 9 kann dem Kondensator C2 mit der größeren Kapazität in Figur 5 entsprechen. Damit können die Schaltungen der Figuren 5 und 9 miteinander kombiniert werden. Es ist möglich, dass die Schaltelemente 6 separat auf dem Funktionsträger 5 angebracht werden oder in dem
Funktionsträger 5 integriert sind, siehe etwa die Figuren 6 und 8. Beim Ausführungsbeispiel der Figur 10 sind drei Kondensatoren C vorhanden, die elektrisch parallel geschaltet sind. Mit anderen Worten ist der eine Kondensator der Figur 9
aufgeteilt in drei Kondensatoren C. Damit lässt sich
zusätzlich die Induktivität verringern. Im Übrigen gelten die Ausführungen zur Figur 9 für die Figur 10 entsprechend.
Die drei Kondensatoren C können durch einzelne, separate Bauteile realisiert sein oder auch in einem gemeinsamen
Bauteil integriert sein, das bevorzugt auf dem
Funktionsträger 5 aufgebracht wird. Alternativ können alle drei Kondensatoren C in dem Funktionsträger 5 integriert werden, vergleiche Figur 8.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen
Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind voneinander
beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen ebenso parallel
zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Dickenverhältnisse, Längenverhältnisse und Positionen der gezeichneten
Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben. Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.
Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2017 108 322.7, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste
1 Halbleiterlaser
11 Laseremitter
2 Halbleiterschichtenfolge
20 aktive Zone
21 erster elektrischer Anschlussbereich
22 zweiter elektrischer Anschlussbereich
23 elektrische Verbindungsleitung
23a Durchkontaktierung
24 n-KontaktSchicht
25 AufwachsSubstrat
26 Ätzstoppschicht oder Opferschicht
27 p-KontaktSchicht
28 p-StromaufweitungsSchicht
29 n-StromaufweitungsSchicht
3 Kontaktträger
31 erste elektrische Kontaktfläche
32 zweite elektrische Kontaktfläche
33 Vergusskörper
41 erster Resonatorspiegel
42 zweiter Resonatorspiegel
5 Funktionsträger
51, 52 elektrische Kontaktstelle
6 elektronisches Schaltelement
7 steuerbare Stromquelle
8 PassivierungsSchicht
C Kondensator
GND Ground/Erde
L LaserStrahlung
R Widerstand
S Signalleitung
V VersorgungsSpannung

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterlaser (1), insbesondere
oberflächenemittierender Halbleiterlaser, mit:
- einer Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer aktiven Zone (20) zur Erzeugung von Laserstrahlung und mit einem ersten und einem zweiten elektrischen Anschlussbereich (21, 22) an einander gegenüberliegenden Hauptseiten,
- einem Kontaktträger (3) mit elektrischen Kontaktflächen (31, 32) zur elektrischen Kontaktierung der
Halbleiterschichtenfolge (2),
- einer elektrischen Verbindungsleitung (23) von der dem Kontaktträger (3) abgewandten Hauptseite der
Halbleiterschichtenfolge (2) hin zum Kontaktträger (3), und - mehreren Kondensatoren (C) ,
wobei
- sich die Verbindungsleitung (23) an oder in der
Halbleiterschichtenfolge (2) befindet,
- mindestens zwei der Kondensatoren (C) vorhanden sind, deren Kapazitäten sich um mindestens einen Faktor 50 unterscheiden, und
- der Kondensator (C) mit der kleineren Kapazität dazu eingerichtet ist, die aktive Zone (20) unmittelbar nach einem Einschaltvorgang mit Strom zu versorgen und der Kondensator (C) mit der größeren Kapazität zu einer nachfolgenden
Stromversorgung eingerichtet ist.
2. Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei
- der Halbleiterlaser (1) ein oberflächenemittierender
Halbleiterlaser ist,
- der Halbleiterlaser (1) oberflächenmontierbar ist,
- sich die Kontaktflächen (31, 32) in einer gemeinsamen Ebene befinden,
- die aktive Zone (20) parallel zum Kontaktträger (2)
orientiert ist und sich zwischen zwei Resonatorspiegeln (41, 42) befindet,
- im Betrieb eine Laserstrahlung (L) in Richtung senkrecht zum Kontaktträger (2) emittiert wird, und
- der Halbleiterlaser (1) frei von einem Aufwachssubstrat (25) der Halbleiterschichtenfolge (2) ist.
3. Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei dem ein mittlerer Abstand der Verbindungsleitung (23) zur Halbleiterschichtenfolge (2) höchstens 3 ym beträgt.
4. Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei dem der Kontaktträger (3) aus den Kontaktflächen (31, 32) und einem Vergusskörper (33) zusammengesetzt ist.
5. Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Kontaktträger (3) ein Siliziumträger ist.
6. Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei dem die Halbleiterschichtenfolge (2) in Draufsicht gesehen in eine Vielzahl einzelner Laseremitter (11)
unterteilt ist,
wobei die Laseremitter (11) elektrisch parallel geschaltet sind.
7. Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
umfassend mehrere weitere Kondensatoren (C) , die mit der aktiven Zone (20) elektrisch in Serie geschaltet sind, wobei zumindest einer dieser weiteren Kondensatoren (C) ein elektronisches Schaltelement (6) zum Ansteuern der
zugehörigen Kapazität (C) zugeordnet ist.
8. Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem mindestens einem der weiteren Kondensatoren (C) mehrere der Schaltelement (6) zugeordnet sind und diese
Schaltelemente (6) elektrisch parallel geschaltet sind.
9. Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem mindestens drei der weiteren Kondensatoren (C) vorhanden sind, die mit einer mit einer Toleranz von
höchstens 25 % die gleiche Kapazität aufweisen.
10. Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem mindestens zwei der Kondensatoren (C) vorhanden sind, deren Kapazitäten sich um mindestens einen Faktor 50 und um höchstens einen Faktor 1000 unterscheiden.
11. Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 10,
bei dem der Kondensator (C) mit der kleineren Kapazität elektrisch direkt mit der aktiven Zone (20) verbunden ist, wobei zwischen dem Kondensator (C) mit der größeren Kapazität und der aktiven Zone (20) ein Widerstand (R) angebracht ist.
12. Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
ferner umfassend mindestens einen Funktionsträger (5) , in dem mindestens eine elektronische Komponente (C, 7) integriert ist und der Funktionsträger (5) aus Silizium ist,
wobei der Kontaktträger (3) auf dem Funktionsträger (5) elektrisch und mechanisch befestigt ist.
13. Halbleiterlaser (1) nach dem vorhergehenden Anspruch und nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
wobei als elektronische Komponente der Kondensator (C) mit der kleineren Kapazität monolithisch in dem Funktionsträger (5) integriert ist und der zumindest eine weitere Kondensator (C) an dem Funktionsträger (5) angebracht ist.
14. Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem als elektronische Komponente mindestens eine
steuerbare Stromquelle (7) in dem Funktionsträger (5) integriert ist.
15. Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die aktive Zone (20) die mindestens eine
elektronische Komponente (C, 7) überdeckt,
wobei elektrische Kontaktstellen (51, 52) des
Funktionsträgers (5) zur externen elektrischen Kontaktierung des Halbleiterlasers (1) an einer der
Halbleiterschichtenfolge (2) abgewandten Seite angebracht sind .
16. Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
der ohne Bonddrähte kontaktierbar ist und frei von
Bonddrähten ist,
wobei der Halbleiterlaser (1) für Laufzeitanwendungen
vorgesehen und dazu eingerichtet ist, Laserimpulse mit einer mittleren Impulsdauer zwischen einschließlich 0,5 ns und 5 ns eingerichtet ist.
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