WO2019145359A1 - Oberflächenemittierender halbleiterlaserchip - Google Patents

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semiconductor laser
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Tilman RÜGHEIMER
Hubert Halbritter
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity

Definitions

  • One object to be solved is, inter alia, to specify a surface-emitting semiconductor laser chip which is particularly efficient to operate and has improved thermal properties.
  • the surface-emitting semiconductor laser chip comprises, for example, a resonator formed by reflectors with an active region arranged between the reflectors.
  • the resonator is formed with a layer stack, wherein the reflectors are adapted to reflect electromagnetic radiation generated in the active region transverse to the main extension plane of layers of the layer stack.
  • the reflectors are formed with Bragg mirrors, which are provided with layers of the
  • Layer stacks are formed.
  • a resonance axis of the vertical resonator extends along the
  • the stacking direction is perpendicular to a layer plane.
  • Layer stacks extend, for example, along the layer plane.
  • the semiconductor laser chip is arranged along the stacking direction
  • the semiconductor laser chip emits Laser radiation.
  • the laser radiation has, for example, at least one particularly high coherence length, a linear polarization and / or a wavelength bandwidth of at most 50 nm.
  • the surface-emitting semiconductor laser chip is a thin-film chip in which the
  • the growth substrate is removed.
  • the growth substrate is
  • a laser lift-off method is described in principle, for example, in international publication WO 03/065420 A2.
  • the surface emitting semiconductor laser chip comprises a support on which the layer stack, a
  • the carrier is a mechanically supporting structure of the surface-emitting semiconductor laser chip.
  • the carrier has a
  • Main extension plane which transverse to the stacking direction, in particular perpendicular to the stacking direction of the
  • Layer stack can lie.
  • the carrier is formed with a semiconductor material, in particular with silicon.
  • front-side contact and the rear-side contact may be opposite each other
  • Main surfaces of the layer stack may be arranged.
  • the front-side contact is arranged on a side of the layer stack facing away from the carrier, and the rear-side contact is arranged on a side facing the carrier the layer stack arranged.
  • the layer stack can be electrically conductively contacted, for example, by means of the front-side contact and the rear-side contact. To operate the semiconductor laser chip is between the
  • Front contact and the rear side contact for example, applied a predetermined electrical voltage or a predetermined electric current impressed.
  • the current constriction dictates the distribution of current density such that current flowing through the active region is only part of the active region, in the
  • active volume Hereafter referred to as active volume, with a
  • laser radiation is generated and amplified during normal operation within the active volume, wherein the active volume within the active area by means of
  • a pumping current which is required to generate the population inversion within the active region.
  • the active volume can have a coherent, in particular simply connected, cross section.
  • the cross section may have a circular, oval or other two-dimensional shape.
  • An electrical through-connection is provided in the carrier, which extends from a bottom surface of the carrier facing away from the layer stack to the layer stack
  • Through-connection is formed for example with an electrically conductive material.
  • Through-hole with a metal such as copper, be formed.
  • a hole with insulating side surfaces can be produced by means of an etching process in the carrier, which is completely filled with the material of the via.
  • electrically insulating structure is arranged, by means of which the distribution of the current density within the active region perpendicular to the stacking direction, that is laterally limited. Due to the transverse conductivity of the im
  • Layers stack materials used is a lateral current expansion in this unavoidable.
  • the active region projects beyond the plated-through hole in all directions perpendicular to the stacking direction.
  • a surface-emitting semiconductor laser chip a carrier, a carrier arranged on the stack of layers with a plane perpendicular to the stacking layer plane, a front side contact and a back contact.
  • a predetermined distribution of a current density is achieved by Stromeinschnürung in the layer stack.
  • the Carrier is provided with an electrical feedthrough, which extends from a bottom surface of the carrier facing away from the layer stack to a surface of the carrier facing the layer stack.
  • the distribution of the current density is significantly influenced by the shape and the size of the cross section of the via parallel to the layer plane.
  • Semiconductor laser chip include the following:
  • insulating current fills can be realized within the layer stack.
  • These diaphragms can be formed, for example, with silicon oxide.
  • one orifice can be arranged above and below the active region, in order to constrict the flow within the active one
  • the manufacture of the diaphragm structures requires additional process steps, thereby increasing the manufacturing cost of a surface emitting semiconductor laser chip.
  • the thermal conductivity of the layer stack along the stacking direction is reduced by the diaphragms, as a result of which it is difficult to divert heat arising during operation from the layer stack.
  • semiconductor laser chip makes of the idea
  • the plated-through hole is designed to significantly influence the distribution of the current density within the active region by means of current constriction, wherein on the side of the side facing the carrier
  • the series resistance can be reduced because the plated-through hole is particularly close to the stack of layers and thus a particularly low power dissipation in higher-resistance semiconductor materials
  • the via can be the heat dissipation
  • the semiconductor laser chip forms a gain-guided semiconductor laser.
  • the active volume is not decisively predetermined by the refractive indices of the layer stack and by materials adjacent to the layer stack but, for example, by the via in the manner indicated above.
  • the backside contact is
  • Rear contact is, for example, adapted to the carrier, in particular the feedthrough, and the
  • the rear side contact is formed with a metal, in particular a solder material.
  • the solder material comprises gold-tin (AuSn), nickel-tin
  • Rear side contact with the layer stack has a particularly low thermal resistance between the layer stack and the via. This improves a derivative of the heat generated during operation of the semiconductor laser chip through the via.
  • the carrier comprises a
  • a base body which is formed with an electrically conductive material, and a through-hole, of the
  • Coating is separated.
  • the first layer of Coating is separated.
  • the plated-through hole is completely covered by the electrically insulating layer at its side surface towards the main body.
  • the coating may be formed with a ceramic material or with silicon oxide. For example, that can
  • electrically conductive material of the body also have a particularly high thermal conductivity. In particular, this improves the heat dissipation of the layer stack, since the thermal resistance of the carrier
  • the via has a higher thermal conductivity than the main body.
  • the plated through hole has a thermal conductivity of at least 300 watts per meter Kelvin
  • the main body has, for example, a thermal conductivity of a maximum of 200 watts per meter
  • Kelvin [W / (m * K)] in particular a maximum of 150 watts per meter Kelvin [W / (m * K)], on.
  • Through-hole with copper preferably made of copper or a copper alloy, be formed and the base body may be formed for example with silicon, preferably of silicon.
  • the particularly high thermal conductivity of the via allows a
  • the length of the first segment is the length of the first segment
  • the through-connection has a mean diameter of not more than 10 ⁇ m, in particular not more than 5 ⁇ m.
  • the plated-through hole has a length of at least 100 ⁇ m, in particular at least 250 ⁇ m.
  • the current constriction can be adapted within the active region. In particular, thus electrical and optical
  • the layer stack comprises an active region between a first Bragg mirror and a second Bragg mirror, wherein the second Bragg mirror is arranged on a side of the active region facing away from the carrier, and the active region at least some
  • the first and second Bragg mirrors form, for example, the reflectors of the resonator.
  • the active region is energized by the first Bragg mirror and by the second Bragg mirror.
  • the Bragg mirrors are configured to reflect at least a portion, preferably at least 90%, of the electromagnetic radiation generated in the active region.
  • the second Bragg mirror has a higher reflectivity for electromagnetic radiation generated in the active region than the first Bragg mirror.
  • Stack direction are towered over. For example, by partially removing layers of the second Bragg mirror, additional current constriction within the active region is possible.
  • a layer of the second Bragg mirror comprises an electrically insulating aperture, which has an electrically conductive region along the layer plane, speak laterally, limited.
  • the material of the aperture may be an oxidized form of the material of the electrically conductive region.
  • a layer of the second Bragg mirror is introduced from a side surface of the Bragg mirror. The side surface is a surface which is formed with a plurality of layers of the layer stack and which extends transversely to the layer plane.
  • the aperture has, for example, an inner diameter within which the electrically conductive region is arranged.
  • the inner diameter of the aperture differs, for example, a maximum of 50% of the diameter of the
  • the inner diameter of the aperture is larger than the diameter of the via.
  • the electrically conductive area can along the
  • the aperture by means of the aperture, a stream constriction within the layer stack, in particular within the active region, from a side of the layer stack facing away from the carrier is possible.
  • the aperture is arranged on a side of the active area facing away from the carrier, so that the aperture is not located within the cooling path of the cooling zone
  • the layers of the layers of the layers of the layers of the layers of the layers of the layers of the layers of the layers of the first layer are identical to the layers of the first layer. According to one embodiment, the layers of the first layer
  • Layer level is always constant.
  • the layers of the layer stack along the layer plane are formed continuously with the same material, in particular the layers exist along the layer plane in each case continuous from the same material.
  • the layer stack is free of diaphragm structures, by means of which the profile of the current density is constricted.
  • no diaphragm structures are arranged between the active area and the backside contact.
  • the layer stack along the layer plane to a homogeneous electrical and / or thermal conductivity, whereby a particularly reliable warming of the layer stack is possible.
  • a second side facing away from the carrier of the layer stack is a second
  • Insulation layer is annular.
  • the second insulation layer has the shape of an aperture along the layer plane.
  • the second insulating layer constricts the current within the layer stack from a side facing away from the carrier.
  • the second insulation layer may be arranged on a side of the second Bragg mirror which faces away from the active region.
  • the second insulation layer is, for example, with
  • the second Bragg mirror is in the center of the annular second insulating layer with a first sub-layer of the front-side contact
  • the first sub-layer may be formed with a transparent electrically conductive material, for example a transparent conductive oxide, in particular indium tin oxide (English abbreviation: ITO).
  • a transparent electrically conductive material for example a transparent conductive oxide, in particular indium tin oxide (English abbreviation: ITO).
  • surface emitting semiconductor lasers have a plurality of layer stacks along the layer plane
  • the Layer stacking is assigned in each case a via and the via along the stacking direction overlapping with that of the plated through hole
  • Layer stack is arranged.
  • the first layer stack is arranged.
  • the layer stacks are, for example, each separately by means of the layer stacks associated
  • Through holes are energized separately so that the surface emitting semiconductor laser forms a pixelated surface emitting semiconductor laser.
  • the backside contact along the layer plane is completely from a first one
  • the base body is electrically insulated from the layer stack by means of the first insulation layer.
  • the first borders are electrically insulated from the layer stack by means of the first insulation layer.
  • the first insulation layer along the stacking direction is not arranged overlapping with the via. Then, the first insulation layer causes no further Stromeinschnürung in the layer stack.
  • the insulation layer has an opening in the region of the through-connection.
  • the cross-sectional area is at least as large as the cross-sectional area of the
  • Insulation layer is formed, for example, with silicon oxide or an insulating ceramic material.
  • a third Bragg mirror is arranged on a side of the layer stack facing away from the carrier, the third Bragg mirror completely overlapping with the plated-through hole along the stacking direction.
  • the third Bragg mirror is arranged, for example, completely overlapping with the active volume.
  • the third Bragg mirror forms at least part of the reflectors of the
  • the third Bragg mirror can along the
  • Layer level have a smaller cross-sectional area than the active area.
  • the active area projects beyond the third Bragg mirror along all directions perpendicular to the stacking direction.
  • Layer plane the reflectivity of the reflector on one of The side facing away from the carrier of the layer stack predetermined, whereby, for example, the optical modes of the
  • Semiconductor laser chips can be specified.
  • the third Bragg mirror is arranged, for example, on a side of the front-side contact facing away from the active region.
  • the third Bragg mirror can with a
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a surface-emitting element described here
  • Semiconductor laser chips 1 according to an embodiment.
  • the surface-emitting semiconductor laser chip 1 comprises a carrier 20, arranged on the carrier 20
  • Layer stack 10 with a plane perpendicular to the stacking direction R layer plane 11, a front side contact 310 and a backside contact 320, in which in operation
  • a predetermined distribution of a current density I is achieved, wherein in the carrier 20, an electrical feedthrough 200 is provided.
  • the plated-through hole 200 extends from a bottom surface 20 a of the carrier 20 facing away from the layer stack 10 to a layer stack 10
  • the semiconductor laser chip 1 forms a profit-driven
  • the distribution of the current density I dictates the shape and cross-sectional area of the active volume 103a.
  • the active volume 103a is the part of the active one
  • Area 103 in which there is a population inversion during normal operation.
  • the active volume is not formed by means of electrically insulating diaphragm.
  • the layers of the layer stack 10 are simply connected in a coherent manner and the electrical conductivity of the layers along the layer plane L is constant in each case.
  • the carrier 20 comprises a main body 203, the
  • the plated-through hole 200 is laterally, ie in all directions perpendicular to the stacking direction R, surrounded by a coating 201, which electrically insulates the through-connection 200 from the main body 203.
  • Through-hole 200 has a higher thermal
  • the plated-through hole is formed with copper and the base body with silicon.
  • the base body is formed with silicon.
  • the base body has a thermal conductivity of a maximum of 200 watts per meter Kelvin.
  • the length T of the via 200 through the carrier 20 is at least ten times greater than the middle one
  • the diameter D is at most 10 ym and the length T at least 100 ym.
  • the rear-side contact 320 is arranged.
  • Rear contact 320 comprises a contact layer 322 and a first insulation layer 321.
  • the contact layer 322 is provided with an electrically conductive material, for example with a solder, preferably metallic solder, alternatively with a transparent electrically conductive material, for example a transparent conductive oxide (abbreviation: TCO). , educated.
  • the layer stack 10 and the carrier 20 are connected to one another mechanically and electrically exclusively by means of the rear-side contact.
  • Rear side contact 320 is arranged between the layer stack 10 and the carrier 20 and adjoins, on the one hand, directly the layer stack 10 and on the other hand directly to the feedthrough 200 at.
  • the layer stack comprises an active region 103, a first Bragg mirror 101 and a second Bragg mirror 102.
  • the first 101 and the second 102 Bragg mirrors are configured to generate in the active region 103
  • the first 101 and / or second 102 Bragg mirrors each have at least a reflectivity of 80%, in particular 90%, for electromagnetic radiation generated in the active volume 103a.
  • the front side contact 310 is located on a side of the layer stack 10 facing away from the rear side contact 310.
  • the front-side contact 310 comprises a second insulation layer 311, a first partial layer 312 and a second partial layer 313.
  • the first partial layer 312 and the second partial layer 313 are formed with an electrically conductive material.
  • the first sub-layer 312 is formed with a transparent electrically conductive material, for example TCO.
  • the second partial layer 313 may be formed, for example, with a metal.
  • Stromeinschnürung specifies the distribution of the current density I along the layer plane L, so that only in an active volume 103 a electromagnetic radiation is generated.
  • the active volume 103a is along the
  • a second insulating layer 311 is arranged, wherein the second insulating layer 311 is annular.
  • the second insulation layer 311 is
  • Area 103 and the second Bragg mirror 102 can be predetermined.
  • Layer stack 10 is the third Bragg mirror 330
  • the third Bragg mirror 330 overlaps along the stacking direction R with the via 200.
  • the third Bragg mirror 330 is arranged on a side of the front-side contact 310 facing away from the active region 103.
  • the third Bragg mirror 330 has a smaller extent along the layer plane L than the first Bragg mirror 101, the second Bragg mirror 102 and the active region 103.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of an embodiment of a surface-emitting
  • Semiconductor laser 1 according to one embodiment.
  • Surface emitting semiconductor laser 1 comprises a
  • Layer level L arranged side by side on the carrier 20 are, wherein the layer stacks 10 each associated with a via 200 and the
  • the layer stacks 10 are arranged next to one another, for example in the form of an array, at the nodes of an imaginary regular rectangular lattice.
  • the layer stacks 10 are by means of a same manufacturing process
  • the first Bragg mirror 101 is the layer stack 10 arranged next to one another
  • the layer stacks 10 can each be contacted electrically in an electrically conductive manner by means of the through-connection 200 assigned to the layer stacks 10.
  • each one is
  • Through-contacts 200 can be energized separately, so that the surface-emitting semiconductor laser 1 forms a pixelated surface-emitting semiconductor laser.
  • the contact layer 322 along all directions perpendicular to the stacking direction R, that is laterally, completely surrounded by the first insulating layer 321.
  • the main body 203 is electrically isolated from the layer stack 10. in the intended operation, the electric current for operating the semiconductor laser chip 1 does not flow through the material of the base 203, but exclusively through the
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of an exemplary embodiment of one described here
  • Front side contact 310 annularly formed, wherein in the center of the second sub-layer 313, the third Bragg mirror 330 is arranged. In contrast to that in FIG. 2
  • the front-side contact 310 is free of a second insulation layer 311, by means of which the distribution of the current density I in the active region is predetermined. Rather, the distribution of the current density I by means of the shape and cross-sectional area of the second sub-layer 313 along the layer plane L and by means of the shape and the
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view of a surface-emitting semiconductor laser chip according to an embodiment described here.
  • the semiconductor laser chip 1 has no third Bragg mirror 330.
  • FIG. 5 shows a schematic sectional representation of an exemplary embodiment of a surface-emitting
  • a layer of the second Bragg mirror 102 comprises an electrically insulating aperture 102b, which delimits an electrically conductive region 102a.
  • the electrically insulating aperture 102b for example, the distribution of the current density I in the active region 103 is predetermined by a side of the active region 103 facing away from the carrier 20. Next, the active area 103 overhangs the
  • electrically insulating aperture 102b having an oxidized shape of the material of the electrically conductive region 102a
  • the electrically insulating aperture 102b is formed, for example, with an aluminum oxide.

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Abstract

Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) mit einem Träger (20), einem auf dem Träger (20) angeordneten Schichtenstapel (10) mit einer senkrecht zur Stapelrichtung (R) verlaufenden Schichtenebene (L), einem Vorderseitenkontakt (310) und einem Rückseitenkontakt (320), bei dem im Betrieb vermittels Stromeinschnürung im Schichtenstapel (10) eine vorgegebene Verteilung einer Stromdichte (I) erzielt wird, wobei im Träger (20) eine elektrische Durchkontaktierung (200) vorgesehen ist, welche sich von einer von dem Schichtenstapel (10) abgewandten Bodenfläche (20a) des Trägers (20) bis zu einer dem Schichtenstapel (10) zugewandten Fläche des Trägers (20) erstreckt, und die Verteilung der Stromdichte (I) durch Form und Größe des Querschnitts der Durchkontaktierung (200) parallel zur Schichtenebene (L) an der dem Schichtenstapel zugewandten Fläche maßgeblich beeinflusst ist.

Description

Beschreibung
OBERFLÄCHENEMITTIERENDER HALBLEITERLASERCHIP
Es wird ein oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (Englisch: vertical-cavity surface-emitting laser, englische Abkürzung: VCSEL) angegeben. Ein derartiger
Halbleiterlaserchip ist beispielsweise in der Patentschrift DE 10026262 B4 prinzipiell beschrieben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip anzugeben, der besonders effizient betreibbar ist und verbesserte thermische Eigenschaften aufweist.
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip umfasst beispielsweise einen von Reflektoren gebildeten Resonator mit einem zwischen den Reflektoren angeordneten aktiven Bereich. Beispielsweise ist der Resonator mit einem Schichtenstapel gebildet, wobei die Reflektoren dazu eingerichtet sind, im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung quer zur Haupterstreckungsebene von Schichten des Schichtenstapels zu reflektieren. Beispielsweise sind die Reflektoren mit Bragg-Spiegeln gebildet, welche mit Schichten des
Schichtenstapels gebildet sind. Insbesondere verläuft eine Resonanzachse des Vertikalresonators entlang der
Stapelrichtung des Schichtenstapels. Die Stapelrichtung steht senkrecht zu einer Schichtenebene. Die Schichten des
Schichtenstapels erstrecken sich beispielsweise entlang der Schichtenebene. Beispielsweise ist der Halbleiterlaserchip dazu eingerichtet, entlang der Stapelrichtung
elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Im
bestimmungsgemäßen Betrieb emittiert der Halbleiterlaserchip Laserstrahlung. Die Laserstrahlung weist beispielsweise zumindest eine besonders hohe Kohärenzlänge, eine lineare Polarisation und/oder eine Wellenlängenbandbreite von maximal 50 nm auf.
Insbesondere handelt es sich bei dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchip um einen Dünnfilmchip, bei dem das
Aufwachssubstrat, auf welchem der Schichtenstapel hergestellt worden ist, entfernt ist. Das Aufwachssubstrat ist
beispielsweise mittels eines Laser-Lift-Off-Verfahrens oder mittels eines Ätzprozesses von dem Schichtenstapel entfernt. Ein Laser-Lift-Off-Verfahren ist beispielsweise in der internationalen Veröffentlichung WO 03/065420 A2 prinzipiell beschrieben .
Der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip umfasst einen Träger, auf welchem der Schichtenstapel, ein
Vorderseitenkontakt und ein Rückseitenkontakt angeordnet sind. Beispielsweise handelt es sich bei dem Träger um eine mechanisch tragende Struktur des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips. Der Träger weist eine
Haupterstreckungsebene auf, welche quer zur Stapelrichtung, insbesondere senkrecht zur Stapelrichtung, des
Schichtenstapels liegen kann. Beispielsweise ist der Träger mit einem Halbleitermaterial, insbesondere mit Silizium, gebildet .
Der Vorderseitenkontakt und der Rückseitenkontakt können beispielsweise jeweils an einander gegenüberliegenden
Hauptflächen des Schichtenstapels angeordnet sein.
Insbesondere ist der Vorderseitenkontakt an einer von dem Träger abgewandten Seite des Schichtenstapels angeordnet und der Rückseitenkontakt an einer dem Träger zugewandten Seite des Schichtenstapels angeordnet. Der Schichtenstapel ist beispielsweise mittels des Vorderseitenkontakts und des Rückseitenkontakts elektrisch leitend kontaktierbar. Zum Betreiben des Halbleiterlaserchips wird zwischen dem
Vorderseitenkontakt und dem Rückseitenkontakt beispielsweise eine vorgegebene elektrische Spannung angelegt oder ein vorgegebener elektrischer Strom eingeprägt.
Mittels Stromeinschnürung wird im Schichtenstapel eine vorgegebene Verteilung einer Stromdichte erzielt.
Beispielsweise gibt die Stromeinschnürung die Verteilung der Stromdichte derart vor, dass durch den aktiven Bereich fließender Strom nur ein Teil des aktiven Bereichs, im
Folgenden als aktives Volumen bezeichnet, mit einer
ausreichend hohen Stromdichte beaufschlagt wird, um eine Besetzungsinversion zu erzeugen. Insbesondere wird im bestimmungsgemäßen Betrieb innerhalb des aktiven Volumens Laserstrahlung generiert und verstärkt, wobei das aktive Volumen innerhalb des aktiven Bereichs mittels
Stromeinschnürung begrenzt ist.
Bei dem Strom, dessen Verteilung der Stromdichte vermittels Stromeinschnürung vorgegeben wird, handelt es sich
beispielsweise um einen Pumpstrom, welcher dazu erforderlich ist, die Besetzungsinversion innerhalb des aktiven Bereichs zu erzeugen.
Entlang der Schichtenebene kann das aktive Volumen einen zusammenhängenden, insbesondere einfach zusammenhängenden, Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann der Querschnitt eine kreisrunde, ovale oder andere zweidimensionale Form aufweisen . Im Träger ist eine elektrische Durchkontaktierung vorgesehen, welche sich von einer von dem Schichtenstapel abgewandten Bodenfläche des Trägers bis zur dem Schichtenstapel
zugewandten Fläche des Trägers erstreckt. Die
Durchkontaktierung ist beispielsweise mit einem elektrisch leitenden Material gebildet. Insbesondere kann die
Durchkontaktierung mit einem Metall, beispielsweise Kupfer, gebildet sein. Zum Herstellen der Durchkontaktierung kann mittels eines Ätzverfahrens in dem Träger ein Loch mit isolierenden Seitenflächen erzeugt sein, welches mit dem Material der Durchkontaktierung vollständig befällt ist.
Form und Größe des Querschnitts der Durchkontaktierung, parallel zur Schichtebene an der dem Schichtenstapel
zugewandten Seite, beeinflussen maßgeblich das Profil der Stromdichte im aktiven Bereich. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn zwischen der Durchkontaktierung und dem
Vorderseitenkontakt keine zusätzliche, insbesondere
elektrisch isolierende, Struktur angeordnet ist, mittels der die Verteilung der Stromdichte innerhalb des aktiven Bereichs senkrecht zur Stapelrichtung, sprich lateral eingeschränkt ist. Bedingt durch die Querleitfähigkeit der im
Schichtenstapel eingesetzten Materialien ist eine laterale Stromaufweitung in diesem unvermeidbar. Insbesondere überragt der aktive Bereich die Durchkontaktierung in allen Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der
oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip einen Träger, einen auf dem Träger angeordneten Schichtenstapel mit einer senkrecht zur Stapelrichtung verlaufenden Schichtenebene, einen Vorderseitenkontakt und einen Rückseitenkontakt. Im Betrieb wird vermittels Stromeinschnürung im Schichtenstapel eine vorgegebene Verteilung einer Stromdichte erzielt. Im Träger ist eine elektrische Durchkontaktierung vorgesehen, welche sich von einer von dem Schichtenstapel abgewandten Bodenfläche des Trägers bis zu einer dem Schichtenstapel zugewandten Fläche des Trägers erstreckt. Die Verteilung der Stromdichte ist durch die Form und die Größe des Querschnitts der Durchkontaktierung parallel zur Schichtenebene maßgeblich beeinflusst .
Einem hier beschriebenen oberflächenemittierenden
Halbleiterlaserchip liegen unter anderem die folgenden
Überlegungen zugrunde. Die Funktion und die Ausgangsleistung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips hängen stark von der Stromführung innerhalb des aktiven Bereichs ab. Insbesondere die Einschnürung des Stroms entlang der
Schichtenebene auf einem engen Raumbereich, in dem der
Halbleiterlaserchip zur stimulierten Emission gebracht werden soll, ist von zentraler Bedeutung. Diese Stromeinschnürung kann herkömmlich beispielsweise mittels elektrisch
isolierender Stromblenden innerhalb des Schichtenstapels realisiert werden. Diese Blenden können beispielsweise mit Siliziumoxid gebildet sein. Insbesondere kann je eine Blende oberhalb und unterhalb des aktiven Bereichs angeordnet sein, um eine Einschnürung des Stroms innerhalb des aktiven
Bereichs zu erlangen und das aktive Volumen zu begrenzen. Jedoch erfordert die Herstellung der Blendenstrukturen zusätzliche Prozessschritte, wodurch die Herstellungskosten eines oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips steigen. Zudem wird durch die Blenden die thermische Leitfähigkeit des Schichtenstapels entlang der Stapelrichtung verringert, wodurch im Betrieb entstehende Wärme nur erschwert aus dem Schichtenstapel abgeleitet werden kann. Der hier beschriebene oberflächenemittierende
Halbleiterlaserchip macht unter anderem von der Idee
Gebrauch, einen Träger mit einer Durchkontaktierung zu verwenden. Die Durchkontaktierung ist dazu eingerichtet, mittels Stromeinschnürung die Verteilung der Stromdichte innerhalb des aktiven Bereichs maßgeblich zu beeinflussen, wobei auf der dem Träger zugewandten Seite des
Schichtenstapels keine weitere Blende vorgesehen ist. Mittels der Stromeinschnürung wird die Effizienz des
oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips verbessert, sodass der Halbleiterlaserchip über eine längere Zeitspanne beziehungsweise mit einer höheren Leistung mit niedriger Modenzahl, insbesondere singlemodig, betreibbar ist. Mittels der Durchkontaktierung kann darüber der Serienwiderstand reduziert sein, da die Durchkontaktierung besonders nah an den Schichtenstapel angrenzt und so eine besonders geringe Verlustleistung in höherohmigen Halbleitermaterialien
entsteht. Die Durchkontaktierung kann die Entwärmung
unmittelbar unterhalb des Bereichs der stimulierten Emission verbessern .
Gemäß einer Ausführungsform bildet der Halbleiterlaserchip einen gewinngeführten Halbleiterlaser. Dabei wird das aktive Volumen nicht durch die Brechungsindices des Schichtenstapels und von an den Schichtenstapel angrenzenden Materialien, sondern beispielsweise durch die Durchkontaktierung in oben angegebener Weise maßgeblich vorgegeben. Vorteilhafterweise ist somit die Form und Querschnittsfläche des Bereichs, in welchem Laserstrahlung erzeugt wird, mittels
stromeinprägender Strukturen, insbesondere der
Durchkontaktierung, vorgebbar. Gemäß einer Ausführungsform ist der Rückseitenkontakt
zwischen dem Schichtenstapel und dem Träger angeordnet und grenzt dieser unmittelbar einerseits an den Schichtenstapel und andererseits an die Durchkontaktierung an. Der
Rückseitenkontakt ist beispielsweise dazu eingerichtet, den Träger, insbesondere die Durchkontaktierung, und den
Schichtenstapel mechanisch fest miteinander zu verbinden. Beispielsweise ist der Rückseitenkontakt mit einem Metall, insbesondere einem Lotmaterial, gebildet. Beispielsweise umfasst das Lotmaterial Gold-Zinn (AuSn) , Nickel-Zinn
und/oder Gold-Indium-Zinn (AuInSn) . Vorteilhafterweise ermöglichen der direkte Kontakt der Durchkontaktierung an den Rückseitenkontakt und der direkte Kontakt des
Rückseitenkontakts an den Schichtenstapel einen besonders geringen thermischen Widerstand zwischen dem Schichtenstapel und der Durchkontaktierung. Dies verbessert eine Ableitung der im Betrieb des Halbleiterlaserchips entstehenden Wärme durch die Durchkontaktierung.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Träger einen
Grundkörper, der mit einem elektrisch leitenden Material gebildet ist, und eine Durchkontaktierung, die von dem
Grundkörper mittels einer elektrisch isolierenden
Beschichtung getrennt ist. Beispielsweise ist der
Schichtenstapel rückseitig nur elektrisch leitend mit der Durchkontaktierung verbunden und von dem Grundkörper
elektrisch isoliert. Insbesondere ist die Durchkontaktierung an deren Seitenfläche zum Grundkörper hin vollständig von der elektrisch isolierenden Schicht überdeckt. Insbesondere kann die Beschichtung mit einem keramischen Material oder mit Siliziumoxid gebildet sein. Beispielsweise kann das
elektrisch leitende Material des Grundkörpers auch eine besonders hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Insbesondere wird dadurch die Entwärmung des Schichtenstapels verbessert, da der thermische Widerstand des Trägers
insgesamt reduziert ist.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Durchkontaktierung eine höhere thermische Leitfähigkeit als der Grundkörper auf.
Beispielsweise weist die Durchkontaktierung eine thermische Leitfähigkeit von zumindest 300 Watt pro Meter Kelvin
[W/ (m*K) ] , bevorzugt zumindest 400 Watt pro Meter Kelvin
[W/ (m*K) ] , auf. Der Grundkörper weist beispielsweise eine thermische Leitfähigkeit von maximal 200 Watt pro Meter
Kelvin [W/ (m*K) ] , insbesondere maximal 150 Watt pro Meter Kelvin [W/ (m*K) ] , auf. Beispielsweise kann die
Durchkontaktierung mit Kupfer, bevorzugt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, gebildet sein und der Grundkörper kann beispielsweise mit Silizium, bevorzugt aus Silizium, gebildet sein. Vorteilhafterweise ermöglicht die besonders hohe thermische Leitfähigkeit der Durchkontaktierung eine
besonders effiziente Entwärmung des Schichtenstapels.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Länge der
Durchkontaktierung durch den Träger hindurch zumindest zehnmal größer als der mittlere Durchmesser der
Durchkontaktierung parallel zur Bodenfläche. Beispielsweise weist die Durchkontaktierung einen mittleren Durchmesser von maximal 10 ym, insbesondere maximal 5 ym, auf. Beispielsweise weist die Durchkontaktierung eine Länge von zumindest 100 ym, insbesondere zumindest 250 ym, auf. Vorteilhafterweise ist mittels des mittleren Durchmessers der Durchkontaktierung die Stromeinschnürung innerhalb des aktiven Bereichs anpassbar. Insbesondere sind somit elektrische und optische
Eigenschaften des Halbleiterlaserchips vorgebbar. Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Schichtenstapel einen aktiven Bereich zwischen einem ersten Bragg-Spiegel und einem zweiten Bragg-Spiegel, wobei der zweite Bragg-Spiegel an einer von dem Träger abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet ist, und der aktive Bereich zumindest manche
Schichten des zweiten Bragg-Spiegels entlang der
Schichtenebene vollständig überragt. Der erste und der zweite Bragg-Spiegel bilden beispielsweise die Reflektoren des Resonators. Insbesondere wird im bestimmungsgemäßen Betrieb der aktive Bereich durch den ersten Bragg-Spiegel und durch den zweiten Bragg-Spiegel bestromt. Die Bragg-Spiegel sind beispielsweise dazu eingerichtet zumindest einen Teil, bevorzugt zumindest 90%, der in dem aktiven Bereich erzeugten elektromagnetischen Strahlung zu reflektieren. Insbesondere weist der zweite Bragg-Spiegel eine höhere Reflektivität für im aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung als der erste Bragg-Spiegel auf.
Einzelne Schichten des zweiten Bragg-Spiegels können
teilweise entfernt sein, sodass diese Schichten entlang der Schichtenebene von dem aktiven Bereich und/oder dem ersten Bragg-Spiegel in allen Richtungen senkrecht zur
Stapelrichtung überragt werden. Beispielsweise ist durch das teilweise Entfernen von Schichten des zweiten Bragg-Spiegels eine zusätzliche Stromeinschnürung innerhalb des aktiven Bereichs möglich. Vorteilhafterweise ist in Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung mittels des zweiten Bragg- Spiegels eine Einschränkung von Schwingungsmoden im
Schichtenstapel möglich.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Schicht des zweiten Bragg-Spiegels eine elektrisch isolierende Apertur, die einen elektrisch leitenden Bereich entlang der Schichtenebene, sprich lateral, begrenzt. Beispielsweise kann das Material der Apertur eine oxidierte Form des Materials des elektrisch leitenden Bereichs sein. Insbesondere ist zum Erzeugen der Apertur eine Schicht des zweiten Bragg-Spiegels von einer Seitenfläche des Bragg-Spiegels her eingebracht. Bei der Seitenfläche handelt es sich um eine Fläche, welche mit einer Mehrzahl von Schichten des Schichtenstapels gebildet ist, und die sich quer zur Schichtenebene erstreckt.
Die Apertur weist beispielsweise einen Innendurchmesser auf, innerhalb von dem der elektrisch leitende Bereich angeordnet ist. Der Innendurchmesser der Apertur unterscheidet sich beispielsweise maximal um 50 % vom Durchmesser der
Durchkontaktierung. Insbesondere ist der Innendurchmesser der Apertur größer als der Durchmesser der Durchkontaktierung.
Der elektrisch leitende Bereich kann entlang der
Stapelrichtung überlappend mit der Durchkontaktierung
angeordnet sein. Vorteilhafterweise ist mittels der Apertur eine Stromeinschnürung innerhalb des Schichtenstapels, insbesondere innerhalb des aktiven Bereichs, von einer dem Träger abgewandten Seite des Schichtenstapels her möglich. Vorteilhafterweise ist die Apertur an einer von dem Träger abgewandten Seite des aktiven Bereichs angeordnet, sodass die Apertur nicht innerhalb des Entwärmungspfads des
Halbleiterlaserchips liegt.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Schichten des
Schichtenstapels einfach zusammenhängend ausgebildet und die elektrische Leitfähigkeit der Schichten entlang der
Schichtenebene ist jeweils konstant. Beispielsweise sind die Schichten des Schichtenstapels entlang der Schichtenebene durchgehend mit dem gleichen Material gebildet, insbesondere bestehen die Schichten entlang der Schichtenebene jeweils durchgehend aus dem gleichen Material. Insbesondere ist der Schichtenstapel frei von Blendenstrukturen, mittels denen das Profil der Stromdichte eingeschnürt wird. Insbesondere sind zwischen dem aktiven Bereich und dem Rückseitenkontakt keine Blendenstrukturen angeordnet. Vorteilhafterweise weist der Schichtenstapel entlang der Schichtenebene eine homogene elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit auf, wodurch ein besonders zuverlässiges Entwärmen des Schichtenstapels möglich ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist an einer von dem Träger abgewandten Seite des Schichtenstapels eine zweite
Isolationsschicht angeordnet, wobei die zweite
Isolationsschicht ringförmig ausgebildet ist. Insbesondere weist die zweite Isolationsschicht entlang der Schichtenebene die Form einer Apertur auf. Beispielsweise schnürt die zweite Isolationsschicht den Strom innerhalb des Schichtenstapels von einer dem Träger abgewandten Seite her ein. Die zweite Isolationsschicht kann auf einer von dem aktiven Bereich abgewandten Seite des zweiten Bragg-Spiegels angeordnet sein. Die zweite Isolationsschicht ist beispielsweise mit
Siliziumoxid gebildet. Beispielsweise wird der zweite Bragg- Spiegel im Zentrum der ringförmigen zweiten Isolationsschicht mit einer ersten Teilschicht des Vorderseitenkontakts
elektrisch kontaktiert. Die erste Teilschicht kann mit einem transparenten elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem transparenten leitfähigen Oxid, insbesondere Indium Zinnoxid (englische Abkürzung: ITO) , gebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der
oberflächenemittierende Halbleiterlaser eine Vielzahl von Schichtenstapeln, die entlang der Schichtenebene
nebeneinander auf dem Träger angeordnet sind, wobei den Schichtenstapeln jeweils eine Durchkontaktierung zugeordnet ist und die Durchkontaktierung entlang der Stapelrichtung überlappend mit dem der Durchkontaktierung zugeordneten
Schichtenstapel angeordnet ist. Beispielsweise sind die
Schichtenstapel in Form eines Arrays entlang den
Knotenpunkten eines imaginären regelmäßigen Rechteckgitters nebeneinander angeordnet. Die Schichtenstapel sind
beispielsweise mittels eines gleichen Herstellungsverfahrens gemeinsam hergestellt. Manche Schichten unterschiedlicher Schichtenstapel sind beispielsweise miteinander
zusammenhängend ausgebildet. Alternativ können die
Schichtenstapel beabstandet voneinander angeordnet und nicht zusammenhängend ausgebildet sein.
Die Schichtenstapel sind beispielsweise jeweils separat mittels der den Schichtenstapeln zugeordneten
Durchkontaktierung elektrisch leitend kontaktierbar. Jede Durchkontaktierung kann unabhängig von weiteren
Durchkontaktierungen separat bestromt werden, sodass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser einen pixelierten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser bildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Rückseitenkontakt entlang der Schichtenebene vollständig von einer ersten
Isolationsschicht umgeben. Beispielsweise ist mittels der ersten Isolationsschicht der Grundkörper elektrisch von dem Schichtenstapel isoliert. Insbesondere grenzt die erste
Isolationsschicht einerseits direkt an den Grundkörper und andererseits direkt an den Schichtenstapel. Weiter können mittels der ersten Isolationsschicht Rückseitenkontakte unterschiedlicher Schichtenstapel voneinander isoliert sein. Beispielsweise ist die erste Isolationsschicht entlang der Stapelrichtung nicht überlappend mit der Durchkontaktierung angeordnet. Dann verursacht die erste Isolationsschicht keine weitere Stromeinschnürung im Schichtenstapel. Beispielsweise weist die Isolationsschicht im Bereich der Durchkontaktierung eine Öffnung auf. Beispielsweise ist Querschnittsfläche zumindest genau so groß wie die Querschnittflache der
Durchkontaktierung an ihrer dem Schichtenstapel zugewandten Seite. Insbesondere sind die Querschnittsform der Öffnung und der Durchkontaktierung im mathematischen Sinne ähnlich.
Ähnlich im mathematischen Sinne heißt, dass die
Querschnittsformen durch Ähnlichkeitsabbildungen, wie
beispielsweise zentrische Streckungen und
Kongruenzabbildungen, also Verschiebungen, Drehungen,
Spiegelungen, ineinander überführbar sind. Die erste
Isolationsschicht ist beispielsweise mit Siliziumoxid oder einem isolierenden keramischen Material gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform ist an einer von dem Träger abgewandten Seite des Schichtenstapels ein dritter Bragg- Spiegel angeordnet, wobei der dritte Bragg-Spiegel entlang der Stapelrichtung vollständig mit der Durchkontaktierung überlappt. Entlang der Stapelrichtung ist der dritte Bragg- Spiegel beispielsweise vollständig überlappend mit dem aktiven Volumen angeordnet. Insbesondere bildet der dritte Bragg-Spiegel zumindest einen Teil der Reflektoren des
Resonators. Der dritte Bragg-Spiegel kann entlang der
Schichtenebene eine geringere Querschnittsfläche als der aktive Bereich aufweisen. Beispielsweise überragt der aktive Bereich den dritten Bragg-Spiegel entlang aller Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung. Insbesondere ist mittels der Ausdehnung des dritten Bragg-Spiegels entlang der
Schichtenebene die Reflektivität des Reflektors an einer von dem Träger abgewandten Seite des Schichtenstapels vorgebbar, wodurch beispielsweise die optischen Moden des
Halbleiterlaserchips vorgebbar sind.
Der dritte Bragg-Spiegel ist beispielsweise auf einer von dem aktiven Bereich abgewandten Seite des Vorderseitenkontakts angeordnet. Der dritte Bragg-Spiegel kann mit einem
elektrisch isolierenden Material gebildet sein.
Vorteilhafterweise ist somit ein besonders geringer
Kontaktwiderstand des Vorderseitenkontakts zum aktiven
Bereich erreichbar, da der zweite Bragg-Spiegel besonders dünn beziehungsweise mit besonders wenigen Schichten
ausgebildet sein kann.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers ergeben sich aus den folgenden, im Zusammenhang mit den
Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen die Figuren 1, 2, 3, 4 und 5 schematische
Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen
oberflächenemittierender Halbleiterlaser.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren
dargestellten Elemente untereinander sind nicht als
maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere
Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Die Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines hier beschriebenen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips 1 gemäß eines Ausführungsbeispiels. Der oberflächenemittierende Halbleiterlaserchip 1 umfasst einen Träger 20, einen auf dem Träger 20 angeordneten
Schichtenstapel 10 mit einer senkrecht zur Stapelrichtung R verlaufenden Schichtenebene 11, einem Vorderseitenkontakt 310 und einem Rückseitenkontakt 320, bei dem im Betrieb
vermittels Stromeinschnürung im Schichtenstapel 10 eine vorgegebene Verteilung einer Stromdichte I erzielt wird, wobei im Träger 20 eine elektrische Durchkontaktierung 200 vorgesehen ist. Die Durchkontaktierung 200 erstreckt sich von einer von dem Schichtenstapel 10 abgewandten Bodenfläche 20a des Trägers 20 bis zu einer dem Schichtenstapel 10
zugewandten Fläche des Trägers 20. Die Verteilung der
Stromdichte I ist durch die Form und die Größe des
Querschnitts der Durchkontaktierung 200 parallel zur
Schichtenebene L definiert.
Der Halbleiterlaserchip 1 bildet einen gewinngeführten
Halbleiterlaser, bei dem mittels der Stromeinschnürung die Verteilung der Stromdichte I im aktiven Bereich 103
vorgegeben ist. Die Verteilung der Stromdichte I gibt die Form und die Querschnittsfläche des aktiven Volumens 103a vor. Das aktive Volumen 103a ist der Teil des aktiven
Bereichs 103, in welchem im bestimmungsgemäßen Betrieb eine Besetzungsinversion vorliegt. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel ist das aktive Volumen nicht mittels elektrisch isolierender Blenden gebildet. Insbesondere sind die Schichten des Schichtenstapels 10 einfach zusammenhängend ausgebildet und die elektrische Leitfähigkeit der Schichten entlang der Schichtenebene L ist jeweils konstant.
Der Träger 20 umfasst einen Grundkörper 203, der
beispielsweise mit Silizium gebildet ist, insbesondere aus Silizium besteht. Die Durchkontaktierung 200 ist lateral, sprich in allen Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung R von einer Beschichtung 201 umgeben, welche die Durchkontaktierung 200 von dem Grundkörper 203 elektrisch isoliert. Die
Durchkontaktierung 200 weist eine höhere thermische
Leitfähigkeit als der Grundkörper 203 auf. Beispielsweise ist die Durchkontaktierung mit Kupfer und der Grundkörper mit Silizium gebildet. Beispielsweise weist die
Durchkontaktierung eine thermische Leitfähigkeit von
zumindest 300 Watt pro Meter Kelvin auf und der Grundkörper weist eine thermische Leitfähigkeit von maximal 200 Watt pro Meter Kelvin auf.
Die Länge T der Durchkontaktierung 200 durch den Träger 20 hindurch ist zumindest zehnmal größer als der mittlere
Durchmesser D der Durchkontaktierung 200 parallel zur
Bodenfläche 20a. Beispielsweise beträgt der Durchmesser D maximal 10 ym und die Länge T zumindest 100 ym.
An einer dem Schichtenstapel 10 zugewandten Seite des Trägers 20 ist der Rückseitenkontakt 320 angeordnet. Der
Rückseitenkontakt 320 umfasst eine Kontaktschicht 322 und eine erste Isolationsschicht 321. Die Kontaktschicht 322 ist mit einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise mit einem Lot, bevorzugt metallischen Lot, alternativ mit einem transparenten elektrisch leitenden Material, beispielsweise einem transparenten leitfähigen Oxid (englische Abkürzung: TCO), gebildet. Insbesondere sind der Schichtenstapel 10 und der Träger 20 ausschließlich mittels des Rückseitenkontakts mechanisch und elektrisch miteinander verbunden. Der
Rückseitenkontakt 320 ist zwischen dem Schichtenstapel 10 und dem Träger 20 angeordnet und grenzt einerseits unmittelbar an den Schichtenstapel 10 und andererseits unmittelbar an die Durchkontaktierung 200 an.
Der Schichtenstapel umfasst einen aktiven Bereich 103, einen ersten Bragg-Spiegel 101 und einen zweiten Bragg-Spiegel 102. Der erste 101 und der zweite 102 Bragg-Spiegel sind dazu eingerichtet, im aktiven Bereich 103 erzeugte
elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise zu
reflektieren. Beispielsweise weisen der erste 101 und/oder zweite 102 Bragg-Spiegel jeweils zumindest eine Reflektivität von 80 %, insbesondere 90 %, für im aktiven Volumen 103a erzeugte elektromagnetische Strahlung auf.
An einer dem Rückseitenkontakt 310 abgewandten Seite des Schichtenstapels 10 ist der Vorderseitenkontakt 310
angeordnet. Der Vorderseitenkontakt 310 umfasst eine zweite Isolationsschicht 311, eine erste Teilschicht 312 und eine zweite Teilschicht 313. Die erste Teilschicht 312 und die zweite Teilschicht 313 sind mit einem elektrisch leitenden Material gebildet. Insbesondere ist die erste Teilschicht 312 mit einem transparenten elektrisch leitenden Material, beispielsweise TCO, gebildet. Die zweite Teilschicht 313 kann beispielsweise mit einem Metall gebildet sein.
Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird eine elektrische
Potentialdifferenz zwischen dem Vorderseitenkontakt 310 und dem Rückseitenkontakt 320 angelegt, sodass im aktiven Bereich 103 elektromagnetische Strahlung erzeugt wird. Die
Stromeinschnürung gibt die Verteilung der Stromdichte I entlang der Schichtenebene L vor, sodass ausschließlich in einem aktiven Volumen 103a elektromagnetische Strahlung erzeugt wird. Das aktive Volumen 103a ist entlang der
Stapelrichtung R überlappend mit der Durchkontaktierung 200 und einem dritten Bragg-Spiegel 330 angeordnet. Die
Stromeinschnürung wird über die Form und die Größe des
Querschnitts der Durchkontaktierung 200 parallel zur
Schichtenebene L definiert.
An einer von dem Träger 20 abgewandten Seite des
Schichtenstapels 10 ist eine zweite Isolationsschicht 311 angeordnet, wobei die zweite Isolationsschicht 311 ringförmig ausgebildet ist. Die zweite Isolationsschicht 311 ist
beispielsweise zur Stromeinschnürung vom aktiven Bereich 103 zu einer dem Träger 20 abgewandten Seite des Schichtenstapels 10 hin eingerichtet. Insbesondere ist mittels eines
Innendurchmessers der ringförmigen zweiten Isolationsschicht 311 die Verteilung der Stromdichte zwischen dem aktiven
Bereich 103 und dem zweiten Bragg-Spiegel 102 vorgebbar.
An einer von dem Träger 20 abgewandten Seite des
Schichtenstapels 10 ist der dritte Bragg-Spiegel 330
angeordnet, wobei der dritte Bragg-Spiegel 330 entlang der Stapelrichtung R mit der Durchkontaktierung 200 überlappt.
Der dritte Bragg-Spiegel 330 ist an einer von dem aktiven Bereich 103 abgewandten Seite des Vorderseitenkontakts 310 angeordnet. Insbesondere weist der dritte Bragg-Spiegel 330 entlang der Schichtenebene L eine geringere Ausdehnung als der erste Bragg-Spiegel 101, der zweite Bragg-Spiegel 102 und der aktive Bereich 103 auf.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines oberflächenemittierenden
Halbleiterlasers 1 gemäß einer Ausführungsform. Der
oberflächenemittierende Halbleiterlaser 1 umfasst eine
Vielzahl von Schichtenstapeln 10, die entlang der
Schichtenebene L nebeneinander auf dem Träger 20 angeordnet sind, wobei den Schichtenstapeln 10 jeweils eine Durchkontaktierung 200 zugeordnet ist und die
Durchkontaktierungen 200 entlang der Stapelrichtung R
überlappend mit dem der Durchkontaktierung 200 zugeordneten Schichtenstapel 10 angeordnet ist.
Die Schichtenstapel 10 sind beispielsweise in Form eines Arrays an den Knotenpunkten eines imaginären regelmäßigen Rechteckgitters nebeneinander angeordnet. Die Schichtenstapel 10 sind mittels eines gleichen Herstellungsverfahrens
gemeinsam hergestellt. Der erste Bragg-Spiegel 101 der nebeneinander angeordneten Schichtenstapel 10 ist
zusammenhängend ausgebildet. Die Kontaktschichten 322, mittels denen Durchkontaktierungen 200 und Schichtenstapel 10 elektrisch leitend miteinander verbunden sind, sind mittels der ersten Isolationsschicht 321 voneinander elektrisch isoliert .
Die Schichtenstapel 10 sind jeweils separat mittels der den Schichtenstapeln 10 zugeordneten Durchkontaktierung 200 elektrisch leitend kontaktierbar. Insbesondere ist jede
Durchkontaktierung 200 unabhängig von weiteren
Durchkontaktierungen 200 separat bestrombar, sodass der oberflächenemittierende Halbleiterlaser 1 einen pixelierten oberflächenemittierenden Halbleiterlaser bildet.
Im Unterschied zu dem in Figur 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel ist in dem in Figur 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel die Kontaktschicht 322 entlang allen Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung R, sprich lateral, vollständig von der ersten Isolationsschicht 321 umgeben. Mittels der ersten Isolationsschicht 321 ist der Grundkörper 203 elektrisch von dem Schichtenstapel 10 isoliert. Im bestimmungsgemäßen Betrieb fließt der elektrische Strom zum Betreiben des Halbleiterlaserchips 1 nicht durch das Material des Grundkörpers 203, sondern ausschließlich durch das
Material der Durchkontaktierung 200.
Die Figur 3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen
oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Teilschicht 313 des
Vorderseitenkontakts 310 ringförmig ausgebildet, wobei im Zentrum der zweiten Teilschicht 313 der dritte Bragg-Spiegel 330 angeordnet ist. Im Unterschied zu dem in Figur 2
gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Vorderseitenkontakt 310 frei von einer zweiten Isolationsschicht 311, mittels der die Verteilung der Stromdichte I im aktiven Bereich vorgegeben wird. Vielmehr wird die Verteilung der Stromdichte I mittels der Form und Querschnittsfläche der zweiten Teilschicht 313 entlang der Schichtebene L und mittels der Form und der
Querschnittfläche der Durchkontaktierung 200 entlang der Schichtebene L vorgegeben.
Die Figur 4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines hier beschriebenen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserchips gemäß einer Ausführungsform. Im Unterschied zu dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Halbleiterlaserchip 1 keinen dritten Bragg-Spiegel 330 auf. Weiter ist der
Vorderseitenkontakt 310 ausschließlich mit einer zweiten Teilschicht 313 gebildet. Die zweite Teilschicht 313 steht in unmittelbarem Kontakt mit dem zweiten Bragg-Spiegel 102. Die zweite Teilschicht 313 ist ringförmig ausgebildet, sodass im bestimmungsgemäßen Betrieb durch das Zentrum der ringförmig ausgebildeten zweiten Teilschicht 313 im aktiven Bereich 103 erzeugte Laserstrahlung emittiert wird. Die Figur 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines oberflächenemittierenden
Halbleiterchips 1. Bei dem oberflächenemittierenden
Halbleiterchip 1 umfasst eine Schicht des zweiten Bragg- Spiegels 102 eine elektrisch isolierende Apertur 102b, die einen elektrisch leitenden Bereich 102a begrenzt. Mittels der elektrisch isolierenden Apertur 102b wird beispielsweise die Verteilung der Stromdichte I im aktiven Bereich 103 von einer dem Träger 20 abgewandten Seite des aktiven Bereichs 103 her vorgegeben. Weiter überragt der aktive Bereich 103 die
Schichten des zweiten Bragg-Spiegels 102 in allen Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung R. Insbesondere wird die
elektrisch isolierende Apertur 102b mit einer oxidierten Form des Materials des elektrisch leitenden Bereichs 102a
gebildet. Beispielsweise ist zum Oxidieren des Materials von der Seitenfläche 102c her Sauerstoff in den zweiten Bragg- Spiegel 102 eingebracht worden. Die elektrisch isolierende Apertur 102b ist beispielsweise mit einem Aluminiumoxid gebildet .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102018101569.0, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird Bezugszeichenliste
1 oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip 10 Schichtenstapel
101 erster Bragg-Spiegel
102 zweiter Bragg-Spiegel
102a elektrisch leitender Bereich
102b Apertur
102c Seitenfläche
103 aktiver Bereich
103a aktives Volumen
20 Träger
20a Bodenfläche
200 Durchkontaktierung
201 Beschichtung
202 leitendes Material
203 Grundkörper
210 erste Isolationsschicht
230 Bondschicht
300 elektischer Kontakt
301 erste Kontaktstruktur
302 zweite Kontaktstruktur
310 Vorderseitenkontakt
311 zweite Isolationsschicht
312 erste Teilschicht
313 zweite Teilschicht
320 Rückseitenkontakt
321 erste Isolationsschicht
322 Kontaktschicht
330 dritter Bragg-Spiegel
L Schichtenebene
R Stapelrichtung
T Dicke der Durchkontaktierung D Durchmesser der Durchkontaktierung
I Stromdichte

Claims

Patentansprüche
1. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) mit einem Träger (20), einem auf dem Träger (20)
angeordneten Schichtenstapel (10) mit einer senkrecht zur Stapelrichtung (R) verlaufenden Schichtenebene (L) , einem Vorderseitenkontakt (310) und einem
Rückseitenkontakt (320), bei dem
im Betrieb vermittels Stromeinschnürung im
Schichtenstapel (10) eine vorgegebene Verteilung einer Stromdichte (I) erzielt wird, wobei
im Träger (20) eine elektrische Durchkontaktierung (200) vorgesehen ist, welche sich von einer von dem Schichtenstapel (10) abgewandten Bodenfläche (20a) des Trägers (20) bis zu einer dem Schichtenstapel (10) zugewandten Fläche des Trägers (20) erstreckt, und die Verteilung der Stromdichte (I) durch Form und Größe des Querschnitts der Durchkontaktierung (200) parallel zur Schichtenebene (L) an der dem Schichtenstapel zugewandten Fläche maßgeblich beeinflusst ist.
2. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
bei dem der Halbleiterlaserchip (1) einen gewinn geführten Halbleiterlaser bildet.
3. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Rückseitenkontakt (320) zwischen dem
Schichtenstapel (10) und dem Träger (20) angeordnet ist, und unmittelbar einerseits an den Schichtenstapel (10) und andererseits an die Durchkontaktierung (200) angrenzt .
4. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem
- der Träger (20) einen Grundkörper (203) umfasst, wobei der Grundkörper (203) mit einem elektrisch leitenden Material gebildet ist, und
- die Durchkontaktierung (200) von dem Grundkörper (203) mittels einer elektrisch isolierenden
Beschichtung (201) getrennt ist.
5. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
bei dem die Durchkontaktierung (200) eine höhere thermische Leitfähigkeit als der Grundkörper (203) aufweist .
6. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem die Länge (T) der Durchkontaktierung (200) durch den Träger (200) hindurch zumindest zehnmal größer ist als der mittlere Durchmesser (D) der
Durchkontaktierung (200) parallel zur Bodenfläche (20a) .
7. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem
- der Schichtenstapel (10) einen aktiven Bereich (103) zwischen einem ersten Bragg-Spiegel (101) und einem zweiten Bragg-Spiegel (102) umfasst,
- der zweite Bragg-Spiegel (102) an einer von dem Träger (20) abgewandten Seite des aktiven Bereichs (103) angeordnet ist, und - der aktive Bereich (103) zumindest manche Schichten des zweiten Bragg-Spiegels (102) in Richtung senkrecht zur Stapelrichtung (R) vollständig überragt.
8. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
bei dem eine Schicht des zweiten Bragg-Spiegels (102) eine elektrisch isolierende Apertur (102b) umfasst, die einen elektrisch leitenden Bereich (102a) entlang der Schichtenebene (L) begrenzt.
9. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem
- die Schichten des Schichtenstapels (10) einfach zusammenhängend ausgebildet sind, und
- die elektrische Leitfähigkeit der Schichten entlang der Schichtenebene (L) jeweils konstant ist.
10. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem
- an einer von dem Träger (20) abgewandten Seite des Schichtenstapels (10) eine zweite Isolationsschicht (311) angeordnet ist, wobei
- die zweite Isolationsschicht (311) ringförmig
ausgebildet ist.
11. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (1) gemäß
einem der vorherigen Ansprüche, mit einer Vielzahl von Schichtenstapeln, bei dem
- die Schichtenstapel entlang der Schichtenebene nebeneinander auf dem Träger angeordnet sind, wobei den Schichtenstapeln jeweils eine Durchkontaktierung zugeordnet ist, und - die Durchkontaktierung entlang der Stapelrichtung jeweils überlappend mit dem der Durchkontaktierung zugeordneten Schichtenstapel angeordnet ist.
12. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß dem vorherigen Anspruch,
bei dem der Rückseitenkontakt (320) in allen Richtungen senkrecht zur Stapelrichtung (R) vollständig von einer ersten Isolationsschicht (321) umgeben ist.
13. Oberflächenemittierender Halbleiterlaserchip (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
bei dem an einer von dem Träger (20) abgewandten Seite des Schichtenstapels (10) ein dritter Bragg-Spiegel (330) angeordnet ist, wobei
der dritte Bragg-Spiegel (330) entlang der
Stapelrichtung (R) vollständig mit der
Durchkontaktierung (200) überlappt.
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