WO2020109534A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement mit einer brechungsindexmodulationsschicht und verfahren zur herstellung des optoelektronischen halbleiterbauelements - Google Patents

Optoelektronisches halbleiterbauelement mit einer brechungsindexmodulationsschicht und verfahren zur herstellung des optoelektronischen halbleiterbauelements Download PDF

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optoelectronic semiconductor
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semiconductor component
resonator mirror
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Hubert Halbritter
Matin MOHAJERANI
Alexander Behres
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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Definitions

  • an emission wavelength can be set by adjusting the optical path length in the optical resonator, for example in the manufacture of the optoelectronic semiconductor component.
  • the present invention is based on the object of providing an improved optoelectronic semiconductor component and an improved method for producing an optoelectronic semiconductor component and an improved optoelectronic semiconductor device.
  • an optoelectronic semiconductor component comprises a first resonator mirror, an active region suitable for generating radiation, and a second resonator mirror.
  • the first resonator mirror, the active region and the second resonator mirror are each arranged one above the other along a first direction.
  • the optoelectronic semiconductor component furthermore has a refractive index modulation layer within an optical resonator between the first resonator mirror and the second resonator mirror.
  • the refractive index modulation layer has first areas of a first material with a first refractive index and second areas of a second material with a second refractive index. The first areas are arranged in a plane perpendicular to the first direction adjacent to the second areas.
  • a lateral extent of the first region and the second region is in each case less than 0 r 2X eff , where eff is an effective emission wavelength in the optical resonator.
  • the lateral extent of the first area and the second area can each be less than 100 nm.
  • the optoelectronic semiconductor component may further comprise a first layer of the first material and a second layer of the second material, the refractive index modulation layer being arranged between the first and the second layer and adjoining the first and second layers in each case.
  • the optoelectronic semiconductor component can be a surface-emitting semiconductor laser.
  • a difference between the first refractive index and the second refractive index can be greater than 0.01, for example, greater than 0.1.
  • the change in the emission wavelength due to the special refractive index modulation layer can be greater, the greater the difference between the first refractive index and the second refractive index. Accordingly, the difference can also be greater than 0.5 or 0.6 or 0.8.
  • An optoelectronic semiconductor device contains an arrangement of a plurality of optoelectronic semiconductor components as described above.
  • the refractive index modulation layer of at least one first and one second optoelectronic semiconductor component is each formed differently.
  • the refractive index modulation layer of the first optoelectronic semiconductor component has a different ratio of surface portions of the first region to surface portions of the second region than the refractive index modulation layer of the second optoelectronic semiconductor component.
  • the refractive index modulation layer of the first optoelectronic semiconductor component may have a different layer thickness than the refractive index modulation layer of the second optoelectronic semiconductor component.
  • the at least two semiconductor components can be controlled separately from one another.
  • the optoelectronic semiconductor device is selected from a spectrometer or a transmitting or receiving device for several different channels.
  • a method for producing an optoelectronic semiconductor component comprises forming a first resonator mirror, forming an active region suitable for generating radiation, and forming a second resonator mirror. The first resonator mirror, the active region and the second resonator mirror are each arranged one above the other along a first direction. The method further includes forming a refractive index modulation layer within an optical resonator between the first resonator mirror and the second resonator mirror.
  • the refractive index modulation layer has first areas of a first material with a first refractive index and second areas of a second material with a second refractive index, the first areas being arranged in a plane perpendicular to the first direction adjacent to the second areas.
  • forming the refractive index modulation layer includes forming a first layer of a first material having a first refractive index, patterning the first material to form openings in a first major surface of the first layer, and applying a second layer of one second material with a second refractive index over the first layer. As a result, the openings in the first layer will be filled with the second material.
  • the openings extend to a second main surface of the first layer.
  • a lateral extent of the first region and the second region can each be less than 0.2 eff , where eff is an effective emission wavelength in the optical resonator.
  • eff is an effective emission wavelength in the optical resonator.
  • the lateral extent of the first area and the second area is in each case less than 100 nm.
  • a difference between the first refractive index and the second refractive index can be greater than 0.01 or in particular greater than 0.1.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component in accordance with embodiments.
  • FIGS. 2A and 2B illustrate a method of making a refractive modulation layer.
  • FIGS. 2C and 2D each show schematic cross-sectional views of a refractive index modulation layer.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor device.
  • FIG. 4 shows a perspective view of an optoelectronic semiconductor device according to embodiments.
  • FIG. 5 summarizes a method according to embodiments.
  • Wafer or “semiconductor substrate” used in the following description may include any semiconductor-based structure that has a semiconductor surface. Wafers and structures are to be understood to mean that they contain doped and undoped semiconductors, epitaxial semiconductor layers, optionally supported by a base layer. underlay, and include other semiconductor structures. For example, a layer of a first semiconductor material can be grown on a growth substrate made of a second semiconductor material or of an insulating material, for example on a sapphire substrate. Depending on the intended use, the semiconductor can be based on a direct or an indirect semiconductor material.
  • semiconductor materials which are particularly suitable for generating electromagnetic radiation include, in particular, nitride-semiconductor compounds, by means of which, for example, ultraviolet, blue or longer-wave light can be generated, such as, for example, GaN, InGaN, A1N, AlGaN, AlGalnN, AlGalnBN, phosphide semiconductor compounds, through which, for example, green or long-wave light can be generated, such as GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, and other semiconductor materials such as AlGaAs, SiC, ZnSe, GaAs, ZnO, Ga203, diamond, hexagonal BN and combinations of the materials mentioned.
  • the stoichiometric ratio of the compound semiconductor materials can vary.
  • semiconductor materials can include silicon, silicon germanium and germanium.
  • the term “semiconductor” also includes organic semiconductor materials.
  • substrate generally encompasses insulating, conductive or semiconductor substrates.
  • lateral and horizontal are intended to describe an orientation or alignment that runs essentially parallel to a first surface of a substrate or semiconductor body. This can be, for example, the surface of a wafer or a chip (die).
  • the horizontal direction can lie, for example, in a plane perpendicular to a growth direction when layers are grown.
  • vertical is intended to describe an orientation which is essentially perpendicular to the first surface of a substrate or semiconductor body.
  • the vertical direction can, for example, correspond to a growth direction when layers are grown.
  • electrically connected means a low-resistance electrical connection between the connected elements.
  • the electrically connected elements do not necessarily have to be connected directly to one another. Further elements can be arranged between electrically connected elements.
  • the optoelectronic semiconductor component in accordance with embodiments has an optical resonator which is formed between a first and a second resonator mirror.
  • the first and second resonator mirrors can each be designed as a DBR layer stack (“distributed bragg reflector”) and a multiplicity of alternating thin layer layers have different refractive indices.
  • the thin layers can each be constructed from a semiconductor material or also from a dielectric material.
  • the layers can alternately have a high refractive index (n> 3.1 when using semiconductor materials, n> 1.7 when using dielectric materials) and a low refractive index (n ⁇ 3.1 when using semiconductor materials, n ⁇ 1.7 when using dielectric materials).
  • the layer thickness may be 1/4 or a multiple of 1/4, where l indicates the wavelength of the light to be reflected in the corresponding medium.
  • the first or the second resonator mirror can have, for example, 2 to 50 individual layers.
  • a typical layer thickness of the individual layers can be approximately 30 to 150 nm, for example 50 nm.
  • the layer stack can furthermore contain one or two or more layers which are thicker than approximately 180 nm, for example thicker than 200 nm.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component 10 according to embodiments.
  • the optoelectronic semiconductor component 10 has a first resonator mirror 110, an active region 115 suitable for generating radiation, and a second resonator mirror 120.
  • the first resonator mirror, the active region and the second resonator mirror are each arranged one above the other along a first direction.
  • the optoelectronic semiconductor component also has a refractive index modulation layer within an optical resonator between the first resonator mirror 110 and the second resonator mirror 120.
  • the refractive index modulation layer 133 has first regions 136 of a first material with a first refractive index and second regions 138 of a second material with a second refractive index.
  • the first loading rich 136 are arranged in a plane perpendicular to the first direction adjacent to the second areas 138.
  • the first and second resonator mirrors 110, 120 can each have alternately stacked first layers of a first composition and second layers of a second composition.
  • the second resonator mirror 120 may have a total reflectivity of 99.8% or more for the electromagnetic radiation generated.
  • the first resonator mirror 110 and the refractive index modulation layer are shown enlarged, in particular to better illustrate properties of the refractive index modulation layer 133.
  • the active region 115 can be based on a nitride, a phosphide or an arsenide compound semiconductor material.
  • the active region 115 can contain, for example, doped semiconductor layers, for example a first doped semiconductor layer of a first conductivity type, for example p-type.
  • the active region 115 can furthermore contain a second doped semiconductor layer of a second conductivity type, for example n-type.
  • these layers can be cladding or cladding layers.
  • the active region 115 can furthermore have an active zone 117.
  • the active zone 117 can have, for example, a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well structure (SQW, single quantum well) or a multiple quantum well structure (MQW, multi quantum well) for generating radiation.
  • Quantum well structure has no significance with regard to the dimensionality of the quantization. their quantum wells, quantum wires and quantum dots as well as any combination of these layers.
  • the optoelectronic semiconductor component can, for example, be formed in a semiconductor body 109.
  • the semiconductor body 109 can, for example, include a substrate 100, the second resonator mirror 120 and the active region 115 ⁇ m.
  • the substrate 100 can contain GaN, GaP or GaAs or silicon.
  • the further layers of the semiconductor body can contain, for example, nitride, phosphide or arsenide semiconductor materials.
  • the semiconductor body 109 can, for example, contain layers of the composition Al x Ga y Ini xy As with 0 ⁇ x, y ⁇ 1.
  • the layers of the semiconductor body 109 can, for example, be embodied epitaxially.
  • the second resonator mirror 120 is arranged between the active region 115 and the substrate 100.
  • the first resonator mirror 110 and the second resonator mirror 120 form an optical resonator for the electromagnetic radiation 20 generated in the active region 115.
  • the first resonator mirror 110 can be constructed, for example, from dielectric layers.
  • the first resonator mirror 110 can be designed as a coupling-out mirror of the laser radiation generated in the resonator by means of induced emission and has, for example, a lower reflectivity than the second resonator mirror 120.
  • Electromagnetic radiation 15 generated in the active region 115 is emitted, for example, in a vertical direction from the optoelectronic component animals.
  • the emission can in particular take place in a direction which is a first main surface 105 of the optoelectronic Semiconductor device cuts.
  • the first main surface 105 of the optoelectronic semiconductor component is perpendicular to the first direction, that is to say the arrangement direction of the first and second resonator mirrors
  • the optoelectronic semiconductor component can be a semiconductor laser device, in particular a surface-emitting semiconductor laser ("vertical cavity surface emitting laser", VCSEL).
  • the optoelectronic semiconductor component can also be a conventional LED or a light-receiving element
  • the optoelectronic semiconductor component 10 can form a detector.
  • a first contact element 125 can be arranged in the region of the first main surface 105 of the optoelectronic semiconductor component.
  • a surface of the first contact element 125 can form a first main surface of the optoelectronic semiconductor component 10.
  • a second contact element 127 can adjoin a second main surface of the substrate 100.
  • the first contact element 125 and the second contact element 127 are electrically connected to the active region 115.
  • the first contact element 125 can be connected to a first cladding layer, for example of a first conductivity type.
  • the second contact element 127 can be connected to a second cladding layer, for example of a second conductivity type.
  • the optoelectronic semiconductor component 10 represents, for example, a semiconductor laser which can be pumped electrically, for example, via the first contact element 125 and the second contact element 127.
  • at least a layer of the second resonator mirror 120 can be doped with dopants of a second conductivity type, for example n-type.
  • the semiconductor layer adjoining the first contact element 125 can be doped with dopants of the first conductivity type, for example p-type.
  • the substrate 100 can also be doped, for example with dopants of the second conductivity type.
  • the second resonator mirror 120 can be constructed from the dielectric layers.
  • the optoelectronic semiconductor component 10 can comprise further components that are useful or necessary for the operation of a (surface emitting) semiconductor laser device.
  • a layer 118 for current constriction can be provided, which causes the current to flow exclusively in the area in which laser radiation is generated.
  • the current constriction layer 118 may be electrically insulating.
  • the current constriction layer 118 can be interrupted in a region which is arranged between the resonator mirrors and overlaps with the resonator mirrors.
  • the layer 118 may be arranged adjacent to the active zone 117 for constriction of the current.
  • the current constriction layer 118 can be a high aluminum-containing layer that is locally oxidized and is insulating at the oxidized points.
  • the current constriction layer 118 can also be omitted or can be embodied in an alternative manner. If necessary, a constriction of the current can also be achieved in another way.
  • the refractive index modulation layer 133 is described in more detail with reference to FIGS. 2C and 2D are explained.
  • a first dielectric layer 135 made of the first material with the first refractive index and a second one can be attached to the refractive index modulation layer 133 Adjacent dielectric layer 137 of the second material with the second refractive index.
  • the first resonator mirror 110 can adjoin the refractive index modulation layer 133 or the second dielectric layer 137 of the second refractive index.
  • further layers can also be arranged between the refractive index modulation layer 133 and the first resonator mirror 110.
  • the refractive index modulation layer 133 can also be arranged adjacent to the second resonator mirror 120.
  • the refractive index modulation layer 133 has first regions 136 of a first material with a first refractive index and second regions 138 of a second material with a second refractive index, the first regions 136 in a plane perpendicular to the first direction adjacent to the second Areas 138 are arranged.
  • this refractive index modulation layer 133 can be formed as follows. First, as shown in FIG. 2A, a first dielectric layer 135 is formed in a layer thickness di. The first dielectric layer 135 is then structured, for example using photolithographic methods. For example, a photomask is created and openings 139 are created in a first main surface 134 of the first dielectric layer 135, for example by etching. The first dielectric layer 135 is structured, for example, such that a maximum horizontal dimension S2 of the openings 139 is less than 0.2 ⁇ eff , where ⁇ eff is an effective emission wavelength in the optical resonator. Furthermore, according to embodiments, there is a maximum distance Si between adjacent openings 139 less than 0.2 eff .
  • Si and S2 are each smaller than 100 nm.
  • the etching is carried out to a predetermined depth.
  • the etching can also be carried out up to a second main surface of the first dielectric layer 135. As a result, he who the first areas 136 of the first dielectric material, which are separated by the openings 139, as in FIG. 2B is shown.
  • a second dielectric layer 137 is then formed from a second dielectric material with a second refractive index. As a result, the second dielectric material fills the openings 139.
  • the second layer 137 is then, for example, planarized, for example by a CMP (“chemical mechanical polishing”) method. As a result, the structure shown in FIG. 2C is obtained.
  • FIG. 2C shows an enlarged schematic cross-sectional view of the refractive index modulation layer 133 and optionally of the adjacent first and second dielectric layers 135, 137.
  • Ai denotes the sum of all areas 136 that are occupied by the first material.
  • A2 denotes the sum of all areas 138 which are occupied by the second material the. Accordingly, the optical path length in the refractive index modulation layer 133 changes to n ⁇ d.
  • the optical path length between the first and the second resonator mirrors 110, 120 can be changed by varying the areas of the first regions 136 and the second regions 138.
  • the emission wavelength can be specifically set in the optical resonator by different structuring of the refractive index modulation layer 133.
  • Possible material combinations of the first and second dielectric layers include, for example, SiO, TiO, NbO and SiN.
  • the materials of the first and second dielectric layers can be selected such that the difference in the refractive indices is as large as possible, for example greater than 0.5 or 0.6 or 0.8.
  • the optical path length changes as follows:
  • d3 corresponds to the layer thickness of the refractive index modulation layer 133 and can, for example, correspond to the etching depth. According to embodiments, it is not absolutely necessary that the etching depth d3 is exactly maintained. According to embodiments, calibration can also take place after the refractive index modulation layer 133 has been produced.
  • a first dielectric layer 135 can first be applied and then structured, wherein only a part of the first layer 135 is etched away and filled with the material of the second layer 137.
  • the first layer 135 can be completely etched through during the structuring, so that the result is only the refractive index modulation layer 133, as is possibly the case with the second dielectric layer 137.
  • the second dielectric layer 137 can also be removed from the regions outside the refractive index modulation layer 133.
  • a first main surface 137a of the second dielectric layer 137 need not necessarily be parallel to a first main surface 135a of remaining parts of the first layer 135.
  • the first main surface 137a may be slightly inclined with respect to the first main surface 135a of the first layer 135.
  • An angle between the first main surface 137a and the first main surface 135 can be, for example, a maximum of 5 °.
  • the first main surface 137a does not have to be exactly horizontal, but can be weakly shaped, for example to form a lens. In this case, an angle between the first main surface 137a of the second dielectric layer 137 and the first main surface 135a of the first layer 135 may be less than 5 °.
  • a first main surface 137a of the second dielectric layer 137 can be polished, for example by a polishing method, in such a way that it is very smooth. According to further embodiments, the first main surface 137a can also be rough.
  • the first dielectric layer 135 is structured so that regions of different layer thicknesses d21, d22 are present. For example, in a first photolithographic process, openings in the first dielectric See layer 135 are etched, which extend to a first depth. In a second method, openings in the first dielectric layer 135 are etched that extend to a second depth. As a result, after forming the second dielectric layer 137, the one shown in FIG. 2D structure shown.
  • the refractive index n3 results in the different sub-layers taking into account the respective area occupancy.
  • the respective layer thickness d3i and d32 of the respective sub-layers is taken into account.
  • various different refractive indices can be set for the refractive index modulation layer 133.
  • a greater difference in the resonator length and thus the emitted wavelength can be achieved by a particularly large difference in the refractive indices of the first layer 135 and the second layer 137 or by a greater etching depth.
  • a refractive index difference of 0.5 between layers 135, 137, with an emission wavelength of approximately 848 nm and, for example, with a short resonator with a length of the order of an effective wavelength a wavelength shift of the resonance frequency of about 0.8 nm can be achieved towards higher wavelengths.
  • an optoelectronic semiconductor device can have a multiplicity of optoelectronic semiconductor components described above.
  • at least two of the optoelectronic semiconductor components can have a different ratio of surface portions of the first region and surface portions of the second region.
  • a layer thickness of the refractive index modulation layer can also vary. Accordingly, there is a different effective resonator length. As a result, the optoelectronic semiconductor components are able to emit different wavelengths in each case.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor device with an arrangement of a plurality of optoelectronic semiconductor components.
  • the optoelectronic semiconductor device 20 has a plurality of optoelectronic semiconductor components 10i, IO2, ..., 10 n .
  • the various optoelectronic semiconductor components are integrated, for example, on a common substrate 100 and have, for example, a common second resonator mirror 120 and a common active region 115.
  • the various optoelectronic semiconductor components 10i, IO2, ..., 10 n can be electrically connected via a common second contact element 127.
  • Each of the optoelectronic semiconductor components 10i, IO2, ..., 10 n has its own first resonator mirror 110. Furthermore, each of the individual optoelectronic semiconductor components has a separate refractive index modulation layer 133i, 133 2 , ..., 133 n . Each of these refractive index modulation layers 133i, 133 2 , ..., 133 n can have a different effective refractive index and thus a different path length shift. According to further embodiments, the Layer thickness of the refractive index modulation layer can be different in each case.
  • the optoelectronic semiconductor device by targeted and selective control of an optoelectronic semiconductor component 10i, IO2, ..., 10 n via the associated contact element 125, an emission wavelength of the optoelectronic semiconductor device.
  • the current through Victorele element 125i should only flow through the associated optoelectronic semiconductor device or components IOi.
  • This can be achieved, for example, by providing separating elements 119 which are implemented, for example, as trenches which are filled with an insulating material.
  • the separating elements 119 prevent the current from flowing to neighboring optoelectronic semiconductor components.
  • the separating elements 119 for example, he stretch through the active zone 117.
  • the separating elements 119 can also be designed in a different way.
  • groups of optoelectronic semiconductor components which emit at the same wavelength in each case can also be controlled by a contact element 125i in each case.
  • identical optoelectronic semiconductor components can be arranged in blocks or as strips.
  • such groups can be controlled selectively and selectively, so that an emission wavelength of the optoelectronic semiconductor device can be set in each case.
  • an optoelectronic semiconductor device can be realized with only one photolithographic method, in which the emission wavelength is adjustable.
  • individual semiconductor components elements 10i, IO2, ..., 10 n can be controlled.
  • groups of semiconductor components which for example each have identical refractive index modulation layers, can also be controlled.
  • the optoelectronic semiconductor device can be, for example, a light source for a spectrometer or a multi-channel chip, which can be used, for example, for communications technology applications.
  • the spectrometer can be used to examine foods at different wavelengths. This allows, for example, the presence and concentration of different ingredients to be determined.
  • the optoelectronic semiconductor device can also be a detector which in each case detects under different wavelengths.
  • FIG. 4 shows a perspective view of an optoelectronic rule ⁇ semiconductor device according to embodiments.
  • the plurality of optoelectronic semiconductor devices 10i, IO2, ..., 10 n are integrated in a common semiconductor substrate 100 and, for example, to a second electrical Greele ⁇ element 127 is connected.
  • Each different firstmaschineele ⁇ elements 125i, 125 2, ..., n can be 125, each with separate electrical ⁇ rule terminals 131i, 131 2, ..., n be connected 131st
  • According to further embodiments may be arranged in rows and columns ⁇ and connected by appropriate application of voltages to lines extending in each case along a row and a column, the individual's optoelectronic semiconductor devices.
  • optoelectronic semiconductor devices can be manufactured much more easily and with greater packing density. Furthermore, by providing A refractive index modulation layer is possible to compensate for a systematic variation of the emission wavelength from center to edge within a wafer. Furthermore, by providing a refractive index modulation layer, a variation in the layer thickness of the layers which build up the optical resonator can be compensated for.
  • FIG. 5 summarizes a method according to embodiments.
  • a method for producing an optoelectronic semiconductor component comprises forming (S100) a first resonator mirror, forming (S110) an active region suitable for generating radiation, and forming (S120) a second resonator mirror, the first resonator mirror, the active region and the second Resonator mirrors are arranged one above the other along a first direction.
  • the method further includes forming (S130) a refractive index modulation layer within an optical resonator between the first resonator mirror and the second resonator mirror.
  • the refractive index modulation layer has first areas of a first material with a first refractive index and second areas of a second material with a second refractive index, the first areas being arranged in a plane perpendicular to the first direction adjacent to the second areas.
  • the first resonator mirror can be formed before the second resonator mirror.
  • the second resonator mirror can be formed in front of the first resonator mirror.
  • the refractive index modulation layer is formed in such a way that it is arranged in the optical resonator.
  • the refractive index modulation layer may be formed before or after the active region is formed.

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Abstract

Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement umfasst einen ersten Resonatorspiegel (110), einen zur Strahlungserzeugung geeigneten aktiven Bereich (115), und einen zweiten Resonatorspiegel (120), die jeweils entlang einer ersten Richtung übereinander angeordnet sind. Das optoelektronische Halbleiterbauelement (10) umfasst weiterhin eine Brechungsindexmodulationsschicht (133) innerhalb eines optischen Resonators zwischen dem ersten Resonatorspiegel (110) und dem zweiten Resonatorspiegel (120). Die Brechungsindexmodulationsschicht (133) weist erste Bereiche (136) eines ersten Materials mit einem ersten Brechungsindex sowie zweite Bereiche (138) eines zweiten Materials mit einem zweiten Brechungsindex auf, wobei die ersten Bereiche (136) in einer zur ersten Richtung senkrechten Ebene angrenzend an die zweiten Bereiche (138) angeordnet sind.

Description

OPTOELEKTRONISCHES HALBLEITERBAUELEMENT MIT EINER
BRECHUNGSINDEXMODULATIONSSCHICHT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DES OPTOELEKTRONISCHEN HALBLEITERBAUELEMENTS
HINTERGRUND
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2018 130 560.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
In optoelektronischen Halbleiterbauelementen mit optischem Re sonator wie beispielsweise Halbleiter-Laservorrichtungen kann eine Emissionswellenlänge durch Einstellen der optischen Weg länge in dem optischen Resonator, beispielsweise bei der Her stellung des optoelektronischen Halbleiterbauelements einge stellt werden.
Generell wird nach Konzepten gesucht, mit denen eine Emissi onswellenlänge eines optoelektronischen Halbleiterbauelements auf einfachere Weise einstellbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes optoelektronisches Halbleiterbauelement sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines optoelektroni schen Halbleiterbauelements und eine verbesserte optoelektro nische Halbleitervorrichtung zur Verfügung zu stellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch das Verfahren und den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Pa tentansprüchen definiert.
ZUSAMMENFASSUNG Gemäß Ausführungsformen umfasst ein optoelektronisches Halb leiterbauelement einen ersten Resonatorspiegel, einen zur Strahlungserzeugung geeigneten aktiven Bereich, und einen zweiten Resonatorspiegel. Der erste Resonatorspiegel, der ak tive Bereich und der zweite Resonatorspiegel sind jeweils ent lang einer ersten Richtung übereinander angeordnet. Das opto elektronische Halbleiterbauelement weist ferner eine Bre chungsindexmodulationsschicht innerhalb eines optischen Re sonators zwischen dem ersten Resonatorspiegel und dem zweiten Resonatorspiegel auf. Die Brechungsindexmodulationsschicht weist erste Bereiche eines ersten Materials mit einem ersten Brechungsindex sowie zweite Bereiche eines zweiten Materials mit einem zweiten Brechungsindex auf. Dabei sind die ersten Bereiche in einer zur ersten Richtung senkrechten Ebene an grenzend an die zweiten Bereiche angeordnet.
Beispielsweise ist eine laterale Ausdehnung des ersten Be reichs und des zweiten Bereichs jeweils kleiner als 0r2Xeff, wobei eff eine effektive Emissionswellenlänge im optischen Re sonator ist. Die laterale Ausdehnung des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs kann jeweils kleiner als 100 nm sein.
Das optoelektronisches Halbleiterbauelement kann ferner eine erste Schicht des ersten Materials und eine zweite Schicht des zweiten Materials umfassen, wobei die Brechungsindexmodulati onsschicht zwischen der ersten und der zweiten Schicht ange ordnet ist und jeweils an die erste und an die zweite Schicht angrenzt .
Das optoelektronische Halbleiterbauelement kann ein oberflä chenemittierender Halbleiterlaser sein.
Beispielsweise kann ein Unterschied zwischen dem ersten Bre chungsindex und dem zweiten Brechungsindex größer als 0,01, beispielsweise größer als 0,1 sein. Generell kann die Verände rung der Emissionswellenlänge durch die spezielle Brechungsin dexmodulationsschicht umso größer sein, je größer der Unter schied zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Bre chungsindex ist. Entsprechend kann der Unterschied auch größer als 0,5 oder 0,6 oder 0,8 sein.
Eine optoelektronische Halbleitervorrichtung enthält eine An ordnung einer Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbau elementen wie vorstehend beschrieben. Dabei ist die Brechungs indexmodulationsschicht von mindestens einem ersten und einem zweiten optoelektronischen Halbleiterbauelement jeweils unter schiedlich ausgebildet.
Beispielsweise weist die Brechungsindexmodulationsschicht des ersten optoelektronischen Halbleiterbauelements ein anderes Verhältnis von Flächenanteilen des ersten Bereichs zu Flächen anteilen des zweiten Bereichs als die Brechungsindexmodulati onsschicht des zweiten optoelektronischen Halbleiterbauele ments auf.
Es ist auch möglich, dass die Brechungsindexmodulationsschicht des ersten optoelektronischen Halbleiterbauelements eine ande re Schichtdicke als die Brechungsindexmodulationsschicht des zweiten optoelektronischen Halbleiterbauelements aufweist.
Beispielsweise sind die mindestens zwei Halbleiterbauelemente separat voneinander ansteuerbar sind.
Gemäß Ausführungsformen ist die optoelektronische Halbleiter vorrichtung aus einem Spektrometer oder einer Sende- oder Emp fangsvorrichtung für mehrere verschiedene Kanäle ausgewählt. Ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halb leiterbauelements umfasst das Ausbilden eines ersten Resona torspiegels, Ausbilden eines zur Strahlungserzeugung geeigne ten aktiven Bereichs, und Ausbilden eines zweiten Resonator spiegels. Dabei werden der erste Resonatorspiegel, der aktive Bereich und der zweite Resonatorspiegel jeweils entlang einer ersten Richtung übereinander angeordnet. Das Verfahren umfasst weiterhin das Ausbilden einer Brechungsindexmodulationsschicht innerhalb eines optischen Resonators zwischen dem ersten Re sonatorspiegel und dem zweiten Resonatorspiegel. Dabei weist die Brechungsindexmodulationsschicht erste Bereiche eines ers ten Materials mit einem ersten Brechungsindex sowie zweite Be reiche eines zweiten Materials mit einem zweiten Brechungsin dex auf, wobei die ersten Bereiche in einer zur ersten Rich tung senkrechten Ebene angrenzend an die zweiten Bereiche an geordnet werden.
Beispielsweise umfasst das Ausbilden der Brechungsindexmodula tionsschicht das Ausbilden einer ersten Schicht aus einem ers ten Material mit einem ersten Brechungsindex, das Strukturie ren des ersten Materials, so dass Öffnungen in einer ersten Hauptoberfläche der ersten Schicht ausgebildet werden, und das Aufbringen einer zweiten Schicht aus einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex über der ersten Schicht. Als Folge werden die Öffnungen in der ersten Schicht mit dem zwei ten Material gefüllt werden.
Beispielsweise erstrecken sich die Öffnungen sich bis zu einer zweiten Hauptoberfläche der ersten Schicht.
Gemäß Ausführungsformen kann eine laterale Ausdehnung des ers ten Bereichs und des zweiten Bereichs jeweils kleiner als 0,2 eff sein, wobei eff eine effektive Emissionswellenlänge im optischen Resonator ist. Beispielsweise ist die laterale Ausdehnung des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs jeweils kleiner als 100 nm.
Ein Unterschied zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex kann größer als 0,01 oder insbesondere größer als 0,1 sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Aus führungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschau lichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Be schreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittel bar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht not wendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechen de Elemente und Strukturen.
FIG. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines opto elektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
FIGS. 2A und 2B veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung einer Brechungsmodulationsschicht .
FIGS. 2C und 2D zeigen jeweils schematische Querschnittsan sichten einer Brechungsindexmodulationsschicht.
FIG. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer opto elektronischen Halbleitervorrichtung . FIG. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer optoelektroni schen Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsformen.
FIG. 5 fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.
DETAILBESCHREIBUNG
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie "Oberseite", "Boden", "Vorder seite", "Rückseite", "über", "auf", "vor", "hinter", "vorne", "hinten" usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Fi guren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschrän kend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Be reich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die Begriffe "Wafer" oder "Halbleitersubstrat", die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halb leiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basis- unterläge, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Bei spielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermate rial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleiter material oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein. Je nach Verwendungs zweck kann der Halbleiter auf einem direkten oder einem indi rekten Halbleitermaterial basieren. Beispiele für zur Erzeu gung elektromagnetischer Strahlung besonders geeignete Halb leitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterver bindungen, durch die beispielsweise ultraviolettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispiels weise GaN, InGaN, A1N, AlGaN, AlGalnN, AlGalnBN, Phosphid- Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermateria lien wie AlGaAs, SiC, ZnSe, GaAs, ZnO, Ga203, Diamant, hexago nales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stö chiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter" auch organische Halbleitermaterialien ein.
Der Begriff „Substrat" umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
Die Begriffe "lateral" und "horizontal", wie in dieser Be schreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrich tung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder ei nes Chips (Die) sein. Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Der Begriff "vertikal", wie er in dieser Beschreibung verwen det wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentli chen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann bei spielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.
Soweit hier die Begriffe "haben", "enthalten", "umfassen", "aufweisen" und dergleichen verwendet werden, handelt es sich um offene Begriffe, die auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, das Vorhandensein von weite ren Elementen oder Merkmalen aber nicht ausschließen. Die un bestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusam menhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.
Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden" eine niederohmige elektrische Verbin dung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch ver bundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt mitei nander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.
Wie im Rahmen der vorliegenden Beschreibung erläutert werden wird, weist das optoelektronische Halbleiter-Bauelement gemäß Ausführungsformen einen optischen Resonator auf, der zwischen einem ersten und einem zweiten Resonatorspiegel ausgebildet ist. Dabei können der erste und der zweite Resonatorspiegel jeweils als DBR-Schichtstapel („distributed bragg reflector") ausgebildet sein und eine Vielzahl alternierende dünne Schich- ten unterschiedlicher Brechungsindizes aufweisen. Die dünnen Schichten können jeweils aus einem Halbleitermaterial oder auch aus einem dielektrischen Material aufgebaut sein. Bei spielsweise können die Schichten abwechselnd einen hohen Bre chungsindex (n > 3,1 bei Verwendung von Halbleitermaterialien, n > 1,7 bei Verwendung von dielektrischen Materialien) und ei nen niedrigen Brechungsindex (n < 3,1 bei Verwendung von Halb leitermaterialien, n < 1,7 bei Verwendung von dielektrischen Materialien) haben. Beispielweise kann die Schichtdicke l/4 o- der ein Mehrfaches von l/4 betragen, wobei l die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem entsprechenden Medium an gibt. Der erste oder der zweite Resonatorspiegel kann bei spielweise 2 bis 50 Einzelschichten aufweisen. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 150 nm, beispielweise 50 nm betragen. Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind.
FIG. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines opto elektronischen Halbleiterbauelements 10 gemäß Ausführungsfor men. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 weist einen ersten Resonatorspiegel 110, einen zur Strahlungserzeugung ge eigneten aktiven Bereich 115 sowie einen zweiten Resonator spiegel 120 auf. Der erste Resonatorspiegel, der aktive Be reich und der zweite Resonatorspiegel sind jeweils entlang ei ner ersten Richtung übereinander angeordnet. Das optoelektro nische Halbleiterbauelement weist ferner eine Brechungsin dexmodulationsschicht innerhalb eines optischen Resonators zwischen dem ersten Resonatorspiegel 110 und dem zweiten Re sonatorspiegel 120 auf. Die Brechungsindexmodulationsschicht 133 weist erste Bereiche 136 eines ersten Materials mit einem ersten Brechungsindex sowie zweite Bereiche 138 eines zweiten Materials mit einem zweiten Brechungsindex auf. Die ersten Be- reiche 136 sind in einer zur ersten Richtung senkrechten Ebene angrenzend an die zweiten Bereiche 138 angeordnet.
Der erste und der zweite Resonatorspiegel 110, 120 können je weils alternierend gestapelte erste Schichten einer ersten Zu sammensetzung und zweite Schichten einer zweiten Zusammenset zung aufweisen. Beispielsweise kann der zweite Resonatorspie gel 120 ein Gesamtreflexionsvermögen von 99,8% oder mehr für die erzeugte elektromagnetische Strahlung haben. Bei der Dar stellung des ersten und zweiten Resonatorspiegels 110, 120 in Fig. 1 ist zu berücksichtigen, dass es möglich ist, dass diese nicht maßstabsgetreu sind. Beispielsweise sind der erste Re sonatorspiegel 110 sowie die Brechungsindexmodulationsschicht vergrößert dargestellt, um insbesondere Eigenschaften der Bre chungsindexmodulationsschicht 133 besser zu veranschaulichen.
Beispielsweise kann der aktive Bereich 115 auf einem Nitrid-, einem Phosphid- oder einem Arsenid-Verbindungshalbleiter- material basieren. Der aktive Bereich 115 kann beispielsweise dotierte Halbleiterschichten, beispielsweise eine erste do tierte Halbleiterschicht von einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-Typ enthalten. Der aktive Bereich 115 kann weiterhin eine zweite dotierte Halbleiterschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n-Typ enthalten. Beispielsweise können diese Schichten Mantel- oder Cladding Schichten sein. Der aktive Bereich 115 kann weiterhin eine ak tive Zone 117 aufweisen. Die aktive Zone 117 kann beispiels weise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Ein- fach-Quantentopf-Struktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Bezeichnung „Quantentopf- Struktur" entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter an- derem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement kann beispielsweise in einem Halbleiterkörper 109 ausgebildet sein. Der Halb leiterkörper 109 kann beispielsweise ein Substrat 100, den zweiten Resonatorspiegel 120 und den aktiven Bereich 115 um fassen. Beispielsweise kann das Substrat 100 GaN, GaP oder GaAs oder Silizium enthalten. Die weiteren Schichten des Halb leiterkörpers können beispielsweise Nitrid-, Phosphid oder Ar- senid-Halbleitermaterialien enthalten. Der Halbleiterkörper 109 kann beispielsweise Schichten der Zusammensetzung AlxGayIni-x-yAs mit 0 < x, y < 1 enthalten. Gemäß weiteren Ausfüh rungsformen kann der Halbleiterkörper 109 auch auf dem InGaAlP-Materialsystem basieren und Halbleiterschichten der Zusammensetzung InxGayAli-x-yPzAsi-z mit 0 < x,y,z < 1 umfassen. Die Schichten des Halbleiterkörpers 109 können beispielsweise epitaktisch ausgebildet sein.
Beispielsweise ist der zweite Resonatorspiegel 120 zwischen dem aktiven Bereich 115 und dem Substrat 100 angeordnet. Der erste Resonatorspiegel 110 und der zweite Resonatorspiegel 120 bilden einen optischen Resonator für die in dem aktiven Be reich 115 erzeugte elektromagnetische Strahlung 20. Der erste Resonatorspiegel 110 kann beispielsweise aus dielektrischen Schichten aufgebaut sein. Der erste Resonatorspiegel 110 kann als Auskoppelspiegel der im Resonator mittels induzierter Emission erzeugten Laserstrahlung ausgebildet sein und besitzt beispielsweise ein geringeres Reflexionsvermögen als der zwei te Resonatorspiegel 120. In dem aktiven Bereich 115 erzeugte elektromagnetische Strahlung 15 wird beispielsweise in verti kaler Richtung aus dem optoelektronischen Bauelement emit tiert. Die Emission kann insbesondere in einer Richtung erfol gen, die eine erste Hauptoberfläche 105 des optoelektronischen Halbleiterbauelements schneidet. Die erste Hauptoberfläche 105 des optoelektronischen Halbleiterbauelements ist senkrecht zur ersten Richtung, das heißt der Anordnungsrichtung von erstem und zweitem Resonatorspiegel
Gemäß Ausführungsformen kann wie vorstehend beschrieben das optoelektronische Halbleiterbauelement eine Halbleiter- Laservorrichtung, insbesondere ein Oberflächen-emittierender Halbleiterlaser („vertical cavity surface emitting laser", VCSEL) sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das opto elektronische Halbleiterbauelement auch eine gewöhnliche LED oder ein lichtaufnehmendes Element sein. Beispielsweise kann das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 einen Detektor bilden .
Gemäß Ausführungsformen kann ein erstes Kontaktelement 125 im Bereich der ersten Hauptoberfläche 105 des optoelektronischen Halbleiterbauelements angeordnet sein. Beispielsweise kann ei ne Oberfläche des ersten Kontaktelements 125 eine erste Haupt oberfläche des optoelektronischen Halbleiterbauelements 10 bilden. Ein zweites Kontaktelement 127 kann an eine zweite Hauptoberfläche des Substrats 100 angrenzen. Dabei sind das erste Kontaktelement 125 und das zweite Kontaktelement 127 mit dem aktiven Bereich 115 elektrisch verbunden. Beispielsweise kann das erste Kontaktelement 125 mit einer ersten Mantel schicht, beispielsweise von einem ersten Leitfähigkeitstyp, verbunden sein. Das zweite Kontaktelement 127 kann mit einer zweiten Mantelschicht, beispielsweise von einem zweiten Leit fähigkeitstyp, verbunden sein.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 stellt bei spielsweise einen Halbleiterlaser dar, der beispielsweise über das erste Kontaktelement 125 und das zweite Kontaktelement 127 elektrisch gepumpt werden kann. Beispielsweise kann mindestens eine Schicht des zweiten Resonatorspiegels 120 mit Dotierstof fen eines zweiten Leitfähigkeitstyps , beispielsweise n-Typ, dotiert sein. Die an das erste Kontaktelement 125 angrenzende Halbleiterschicht kann mit Dotierstoffen des ersten Leitfähig keitstyps, beispielsweise p-Typ, dotiert sein. Das Substrat 100 kann ebenfalls dotiert sein, beispielsweise mit Dotier stoffen des zweiten Leitfähigkeitstyps . Gemäß weiteren Ausfüh rungsformen kann der zweite Resonatorspiegel 120 aus die lektrischen Schichten aufgebaut sein. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 10 kann weitere Komponenten umfassen, die für den Betrieb einer (oberflächenemittierenden) Halbleiterla servorrichtung nützlich oder erforderlich sind. Beispielsweise kann eine Schicht 118 zur Stromeinschnürung vorgesehen sein, die bewirkt, dass der Strom ausschließlich in dem Bereich fließt, in dem Laserstrahlung erzeugt wird. Beispielsweise kann die Schicht 118 zur Stromeinschnürung elektrisch isolie rend sein. Die Schicht 118 zur Stromeinschnürung kann in einem Bereich unterbrochen sein, der zwischen den Resonatorspiegeln angeordnet ist und mit den Resonatorspiegeln überlappt. Bei spielsweise kann die Schicht 118 zur Stromeinschnürung angren zend an die aktive Zone 117 angeordnet sein. Gemäß Ausgestal tungen kann die Schicht 118 zur Stromeinschnürung eine hoch aluminiumhaltige Schicht sein, die lokal oxidiert wird und an den oxidierten Stellen isolierend ist. Gemäß weiteren Ausfüh rungsformen kann die Schicht 118 zur Stromeinschnürung auch weggelassen oder in alternativer Weise ausgeführt sein. Auch kann gegebenenfalls eine Stromeinschnürung auf andere Weise erreicht werden.
Die Brechungsindexmodulationsschicht 133 wird detaillierter unter Bezugnahme auf die FIGS. 2C und 2D erläutert werden. Ge mäß Ausführungsformen können an die Brechungsindexmodulations schicht 133 eine erste dielektrische Schicht 135 aus dem ers ten Material mit dem ersten Brechungsindex sowie eine zweite dielektrische Schicht 137 aus dem zweiten Material mit dem zweiten Brechungsindex angrenzen. Weiterhin kann gemäß Ausfüh rungsformen der erste Resonatorspiegel 110 an die Brechungsin dexmodulationsschicht 133 oder die zweite dielektrische Schicht 137 des zweiten Brechungsindex angrenzen. Gemäß weite ren Ausführungsformen können aber auch weitere Schichten zwi schen der Brechungsindexmodulationsschicht 133 und dem ersten Resonatorspiegel 110 angeordnet sein. Gemäß weiteren Ausfüh rungsformen kann die Brechungsindexmodulationsschicht 133 auch benachbart zu dem zweiten Resonatorspiegel 120 angeordnet sein .
Wie beschrieben worden ist, weist die Brechungsindexmodulati onsschicht 133 erste Bereiche 136 eines ersten Materials mit einem ersten Brechungsindex sowie zweite Bereiche 138 eines zweiten Materials mit einem zweiten Brechungsindex auf, wobei die ersten Bereiche 136 in einer zur ersten Richtung senkrech ten Ebene angrenzend an die zweiten Bereiche 138 angeordnet sind .
Dabei kann diese Brechungsindexmodulationsschicht 133 wie folgt ausgebildet werden. Zunächst wird, wie in Fig. 2A ge zeigt ist, eine erste dielektrische Schicht 135 in einer Schichtdicke di ausgebildet. Sodann wird die erste dielektri sche Schicht 135, beispielsweise unter Verwendung photolitho graphischer Verfahren strukturiert. Beispielsweise wird eine Photomaske erzeugt, und Öffnungen 139 werden in einer ersten Hauptoberfläche 134 der ersten dielektrischen Schicht 135, beispielsweise durch Ätzen erzeugt. Die erste dielektrische Schicht 135 wird beispielsweise derart strukturiert, dass eine maximale horizontale Abmessung S2 der Öffnungen 139 kleiner als 0,2Äeff ist, wobei Äeff eine effektive Emissionswellenlänge im optischen Resonator ist. Weiterhin ist gemäß Ausführungsformen ein maximaler Abstand Si zwischen benachbarten Öffnungen 139 kleiner als 0,2 eff. Beispielsweise sind Si und S2 jeweils klei ner als 100 nm. Die Ätzung wird bis zu einer vorbestimmten Tiefe durchgeführt. Gemäß Ausführungsformen kann die Ätzung auch bis zu einer zweiten Hauptoberfläche der ersten die lektrischen Schicht 135 durchgeführt werden. Als Ergebnis wer den erste Bereiche 136 des ersten dielektrischen Materials er halten, die durch die Öffnungen 139 voneinander getrennt sind, wie auch in FIG. 2B gezeigt ist.
Anschließend wird eine zweite dielektrische Schicht 137 aus einem zweiten dielektrischen Material mit einem zweiten Bre chungsindex ausgebildet. Als Ergebnis füllt das zweite die lektrische Material die Öffnungen 139 aus. Die zweite Schicht 137 wird beispielsweise anschließend planarisiert, beispiels weise durch ein CMP („chemisch-mechanisches Polier") - Verfahren. Als Ergebnis wird die in FIG. 2C gezeigte Struktur erhalten .
FIG. 2C zeigt eine vergrößerte schematische Querschnittsan sicht der Brechungsindexmodulationsschicht 133 sowie optional der angrenzenden ersten und zweiten dielektrischen Schicht 135, 137.
Dadurch ergibt sich ein effektiver Brechungsindex n3 der Bre chungsindexmodulationsschicht 133 in Abhängigkeit von den Flä chenanteilen, die jeweils durch die ersten Bereiche 136 und die zweiten Bereiche 138 belegt werden, wie folgt: r3 - (ni · Ai + n2 · A2) / (A1+A2)
Dabei bezeichnet Ai jeweils die Summe aller Bereiche 136, die durch das erste Material belegt werden. A2 bezeichnet die Summe aller Bereiche 138, die durch das zweite Material belegt wer- den. Entsprechend ändert sich die optische Weglänge in der Brechungsindexmodulationsschicht 133 zu n · d .
Auf diese Weise lässt sich durch eine Variation der Flächenan teile der ersten Bereiche 136 und der zweiten Bereiche 138 die optische Weglänge zwischen dem ersten und dem zweiten Resona torspiegel 110, 120 verändern. Auf diese Weise lässt sich in dem optischen Resonator die Emissionswellenlänge durch jeweils unterschiedliche Strukturierung der Brechungsindexmodulations schicht 133 gezielt einstellen. Mögliche Materialkombinationen der ersten und zweiten dielektrischen Schicht umfassen bei spielsweise SiO, TiO, NbO und SiN. Beispielsweise können die Materialien der ersten und zweiten dielektrischen Schicht der art ausgewählt werden, dass die Differenz der Brechungsindizes möglichst groß, beispielsweise größer als 0,5 oder 0,6 oder 0,8 ist .
Im Vergleich zu einem Schichtaufbau mit einer ersten die lektrischen Schicht 135 mit einer Schichtdicke dl und einem ersten Brechungsindex nl und einer zweiten dielektrischen Schicht 137 mit einer Schichtdicke d2 und einem zweiten Bre chungsindex n2 ändert sich die optische Weglänge wie folgt:
D1 = n3 d3-ni d3
Dabei entspricht d3 der Schichtdicke der Brechungsindexmodula tionsschicht 133 und kann beispielsweise der Ätztiefe entspre chen. Gemäß Ausführungsformen ist es nicht zwingend erforder lich, dass die Ätztiefe d3 exakt eingehalten wird. Gemäß Aus führungsformen kann auch nach Herstellung der Brechungsin dexmodulationsschicht 133 eine Kalibrierung stattfinden.
Wie beschrieben worden ist, kann zunächst eine erste dielekt rische Schicht 135 aufgebracht und sodann strukturiert werden, wobei nur ein Teil der ersten Schicht 135 weggeätzt wird und mit dem Material der zweiten Schicht 137 aufgefüllt wird. Ge mäß weiteren Ausführungsformen kann die erste Schicht 135 beim Strukturieren vollkommen durchgeätzt werden, so dass als Er gebnis lediglich die Brechungsindexmodulationsschicht 133 so wie gegebenenfalls die zweite dielektrische Schicht 137 vor liegt. Optional kann auch die zweite dielektrische Schicht 137 aus den Bereichen außerhalb der Brechungsindexmodulations schicht 133 entfernt werden. Eine erste Hauptoberfläche 137a der zweiten dielektrischen Schicht 137 muss nicht notwendiger weise parallel zu einer ersten Hauptoberfläche 135a verblei bender Teile der ersten Schicht 135 sein. Beispielsweise kann die erste Hauptoberfläche 137a in Bezug auf die erste Haupt oberfläche 135a der ersten Schicht 135 leicht geneigt sein. Ein Winkel zwischen der ersten Hauptoberfläche 137a und der ersten Hauptoberfläche 135 kann beispielsweise höchsten 5° be tragen. Weiterhin muss die erste Hauptoberfläche 137a nicht exakt horizontal sein sondern kann schwach geformt sein, bei spielsweise zu einer Linse. In diesem Fall kann ein Winkel zwischen der ersten Hauptoberfläche 137a der zweiten die lektrischen Schicht 137 und der ersten Hauptoberfläche 135a der ersten Schicht 135 kleiner als 5° sein.
Weiterhin kann eine erste Hauptoberfläche 137a der zweiten dielektrischen Schicht 137 beispielsweise durch ein Polierver fahren derart poliert sein, dass sie sehr glatt ist. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die erste Hauptoberfläche 137a auch rau sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann, wie in FIG. 2D darge stellt ist, die erste dielektrische Schicht 135 strukturiert werden, so dass Bereiche unterschiedlicher Schichtdicke d21, d22 vorliegen. Beispielsweise können in einem ersten photoli thographischen Verfahren Öffnungen in der ersten dielektri- sehen Schicht 135 geätzt werden, die sich bis zu einer ersten Tiefe erstrecken. In einem zweiten Verfahren werden Öffnungen in der ersten dielektrischen Schicht 135 geätzt, die sich bis zu einer zweiten Tiefe erstrecken. Als Ergebnis kann sich nach Ausbilden der zweiten dielektrischen Schicht 137 die in FIG. 2D gezeigte Struktur ergeben. Der Brechungsindex n3 ergibt sich dabei in den verschiedenen Unter-Schichten unter Berück sichtigung der jeweiligen Flächenbelegungen. Bei Ermittlung der effektiven Resonatorlänge wird die jeweilige Schichtdicke d3i und d32 der jeweiligen Unter-Schichten berücksichtigt. Als Ergebnis können verschiedene unterschiedliche Brechungsindizes für die Brechungsindexmodulationsschicht 133 eingestellt wer den .
Gemäß Ausführungsformen kann durch einen besonders großen Un terschied der Brechungsindizes der ersten Schicht 135 und der zweiten Schicht 137 oder durch eine größere Ätztiefe ein grö ßerer Unterschied der Resonatorlänge und damit der emittierten Wellenlänge erzielt werden. Beispielsweise kann bei einer Ätz tiefe von 35 nm, einem Brechungsindexunterschied von 0,5 zwi schen den Schichten 135, 137, bei einer Emissionswellenlänge von etwa 848 nm und beispielsweise bei einem kurzen Resonator mit einer Länge in Größenordnung einer effektiven Wellenlänge eine Wellenlängenverschiebung der Resonanzfrequenz von etwa 0,8 nm zu höheren Wellenlängen hin erzielt werden.
Durch das beschriebene Verfahren ist es auf einfache Weise möglich, die Emissionswellenlänge eines Halbleiterlasers auf einen gewünschten Wert einzustellen. Im Gegensatz zu herkömm lichen Verfahren, bei denen die Resonatorspiegel auf eine vor bestimmte Position eingestellt werden müssen, kann dies hier durch einfache Strukturierungsverfahren einer dielektrischen Schicht erfolgen. Gemäß Ausführungsformen kann eine optoelektronische Halb leitervorrichtung eine Vielzahl von vorstehend beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelementen aufweisen. Bei spielsweise können mindestens zwei der optoelektronischen Halbleiterbauelemente ein unterschiedliches Verhältnis von Flächenanteilen des ersten Bereichs und Flächenanteilen des zweiten Bereichs aufweisen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auch eine Schichtdicke der Brechungsindexmodulations schicht variieren. Entsprechend ergibt sich jeweils eine un terschiedliche effektive Resonatorlänge. Als Ergebnis sind die optoelektronischen Halbleiterbauelemente in der Lage, jeweils unterschiedliche Wellenlängen zu emittieren.
FIG. 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer opto elektronischen Halbleitervorrichtung mit einer Anordnung von mehreren optoelektronischen Halbleiterbauelementen. Die opto elektronische Halbleitervorrichtung 20 weist mehrere opto elektronische Halbleiterbauelemente 10i, IO2, ..., 10n auf. Die verschiedenen optoelektronischen Halbleiterbauelemente sind beispielsweise auf einem gemeinsamen Substrat 100 integriert und weisen beispielsweise einen gemeinsamen zweiten Resonator spiegel 120 sowie einen gemeinsamen aktiven Bereich 115 auf. Ferner können die verschiedenen optoelektronischen Halbleiter bauelemente 10i, IO2, ..., 10n über ein gemeinsames zweites Kon taktelement 127 elektrisch verbindbar sein. Jedes der opto elektronischen Halbleiterbauelemente 10i, IO2, ..., 10n weist ei nen eigenen ersten Resonatorspiegel 110 auf. Weiterhin weist jedes der einzelnen optoelektronischen Halbleiterbauelemente eine separate Brechungsindexmodulationsschicht 133i, 1332, ..., 133n auf. Jede dieser Brechungsindexmodulationsschichten 133i, 1332, ..., 133n kann einen unterschiedlichen effektiven Bre chungsindex und damit eine unterschiedliche Weglängenverschie bung aufweisen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auch die Schichtdicke der Brechungsindexmodulationsschicht jeweils un terschiedlich sein.
Beispielsweise kann bei dem in FIG. 3 dargestellten optoelekt ronischen Halbleitervorrichtung durch gezieltes und selektives Ansteuern eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 10i, IO2, ..., 10n über das zugehörige Kontaktelement 125 eine Emis sionswellenlänge der optoelektronischen Halbleitervorrichtung eingestellt werden. Dabei sollte der Strom durch Kontaktele ment 125i nur durch das oder die zugehörigen optoelektroni schen Halbleiterbauelemente lOi fließen. Dies kann beispiels weise dadurch erreicht werden, dass Trennelemente 119 vorgese hen sind, die beispielsweise als Gräben realisiert sind, die mit einem isolierenden Material gefüllt sind. Durch die Trenn elemente 119 wird verhindert, dass der Strom zu benachbarten optoelektronischen Halbleiterbauelementen fließt. Die Trenn elemente 119 sich beispielsweise durch die aktive Zone 117 er strecken. Die Trennelemente 119 können auch in anderer Weise ausgeführt sein.
Gemäß Ausführungsformen können auch Gruppen optoelektronischer Halbleiterbauelemente, die bei jeweils gleicher Wellenlänge emittieren, durch jeweils ein Kontaktelement 125i angesteuert werden. Beispielsweise können jeweils identische optoelektro nische Halbleiterbauelemente blockweise oder als Streifen an geordnet sein. Weiterhin können derartige Gruppen gezielt und selektiv angesteuert werden, so dass jeweils eine Emissions wellenlänge der optoelektronischen Halbleitervorrichtung ein gestellt werden kann.
Auf diese Weise kann mit nur einem photolithographischen Ver fahren eine optoelektronische Halbleitervorrichtung realisiert werden, bei der die Emissionswellenlänge einstellbar ist. Ge mäß Ausführungsformen können jeweils einzelne Halbleiterbau- elemente 10i, IO2, ..., 10n angesteuert werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen können auch Gruppen von Halbleiterbauelemen ten, die beispielsweise jeweils identische Brechungsindexmodu lationsschichten aufweisen, angesteuert werden.
Die optoelektronische Halbleitervorrichtung kann beispielswei se eine Lichtquelle für ein Spektrometer oder ein Multikanal chip sein, der beispielsweise für nachrichtentechnische Anwen dungen verwendet werden kann. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Spektrometer zum Untersuchen von Lebensmitteln bei jeweils unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden. Dadurch lässt sich beispielsweise die Anwesenheit und Konzent ration unterschiedlicher Inhaltsstoffe ermitteln. Die opto elektronische Halbleitervorrichtung kann gemäß weiteren Aus führungsformen auch ein Detektor sein, der jeweils unter schiedliche Wellenlängen detektiert.
FIG. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer optoelektroni¬ schen Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsformen. Die Viel zahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen 10i, IO2, ..., 10n sind in ein gemeinsames Halbleitersubstrat 100 integriert und beispielsweise mit einem zweiten elektrischen Kontaktele¬ ment 127 verbunden. Jeweils unterschiedliche erste Kontaktele¬ mente 125i, 1252, ..., 125n können mit jeweils separaten elektri¬ schen Anschlüssen 131i, 1312, ..., 131n verbunden sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen können die einzelnen optoelektroni schen Halbleiterbauelemente auch in Reihen und Spalten ange¬ ordnet sein und durch entsprechendes Anlegen von Spannungen an Leitungen, die sich jeweils entlang einer Reihe und einer Spalte erstrecken, angeschlossen werden.
Aufgrund des einfachen Aufbaus lassen sich optoelektronische Halbleitervorrichtungen deutlich einfacher und mit größerer Packungsdichte hersteilen. Weiterhin ist es durch Vorsehen ei- ner Brechungsindexmodulationsschicht möglich, innerhalb eines Wafers eine systematische Variation der Emissionswellenlänge von Mitte zu Rand zu kompensieren. Weiterhin kann durch Vorse hen einer Brechungsindexmodulationsschicht eine Variation der Schichtdicke der Schichten, die den optischen Resonator auf bauen, kompensiert werden.
FIG. 5 fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen. Ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halb leiterbauelements umfasst das Ausbilden (S100) eines ersten Resonatorspiegels, Ausbilden (S110) eines zur Strahlungserzeu gung geeigneten aktiven Bereichs, und Ausbilden (S120) eines zweiten Resonatorspiegels, wobei der erste Resonatorspiegel, der aktive Bereich und der zweite Resonatorspiegel jeweils entlang einer ersten Richtung übereinander angeordnet werden. Das Verfahren umfasst weiterhin das Ausbilden (S130) einer Brechungsindexmodulationsschicht innerhalb eines optischen Re sonators zwischen dem ersten Resonatorspiegel und dem zweiten Resonatorspiegel. Die Brechungsindexmodulationsschicht weist erste Bereiche eines ersten Materials mit einem ersten Bre chungsindex sowie zweite Bereiche eines zweiten Materials mit einem zweiten Brechungsindex auf, wobei die ersten Bereiche in einer zur ersten Richtung senkrechten Ebene angrenzend an die zweiten Bereiche angeordnet werden. Beispielsweise kann der erste Resonatorspiegel vor dem zweiten Resonatorspiegel ausge bildet werden. Alternativ kann der zweite Resonatorspiegel vor dem ersten Resonatorspiegel ausgebildet werden. Die Brechungs indexmodulationsschicht wird derart ausgebildet, dass sie in dem optischen Resonator angeordnet ist. Die Brechungsindexmo dulationsschicht kann vor oder nach Ausbilden des aktiven Be reichs ausgebildet werden.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpas- sungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Optoelektronisches Halbleiterbauelement
15 emittierte elektromagnetische Strahlung
16 absorbierte elektromagnetische Strahlung
20 optoelektronische Halbleitervorrichtung
100 Substrat
105 erste Hauptoberfläche des Halbleiterbauelements
109 Halbleiterkörper
110 erster Resonatorspiegel
115 aktiver Bereich
117 aktive Zone
118 Schicht zur Stromeinschnürung
119 Trennelement
120 zweiter Resonatorspiegel
125 erstes Kontaktelement
127 zweites Kontaktelement
131 erster Anschluss
132 zweite Hauptoberfläche der ersten dielektrischen
Schicht
133 BrechungsindexmodulationsSchicht
134 erste Hauptoberfläche der ersten dielektrischen Schicht
135 erste dielektrische Schicht
136 erster Bereich
137 zweite dielektrische Schicht
138 zweiter Bereich
139 Öffnungen in der ersten dielektrischen Schicht

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) mit:
einem ersten Resonatorspiegel (110),
einem zur Strahlungserzeugung geeigneten aktiven Be reich (115) ,
einem zweiten Resonatorspiegel (120),
die jeweils entlang einer ersten Richtung übereinander ange ordnet sind, sowie
einer Brechungsindexmodulationsschicht (133) innerhalb eines optischen Resonators zwischen dem ersten Resonatorspie gel (110) und dem zweiten Resonatorspiegel (120), wobei die
Brechungsindexmodulationsschicht (133) erste Bereiche (136) eines ersten Materials mit einem ersten Brechungsindex sowie zweite Bereiche (138) eines zweiten Materials mit einem zwei ten Brechungsindex aufweist, wobei die ersten Bereiche (136) in einer zur ersten Richtung senkrechten Ebene angrenzend an die zweiten Bereiche (138) angeordnet sind, ferner mit
einer ersten Schicht (135) des ersten Materials und ei ner zweiten Schicht (137) des zweiten Materials, wobei die
Brechungsindexmodulationsschicht (133) zwischen der ersten und der zweiten Schicht (135, 137) angeordnet ist und jeweils an die erste und an die zweite Schicht (135, 137) angrenzt.
2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach An spruch 1, bei dem eine laterale Ausdehnung des ersten Bereichs (136) und des zweiten Bereichs (138) jeweils kleiner als 0,2Xeff ist, wobei ea eine effektive Emissionswellenlänge im optischen Resonator ist.
3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach An spruch 2, bei dem die laterale Ausdehnung des ersten Bereichs (136) und des zweiten Bereichs (138) jeweils kleiner als 100 nm ist.
4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine erste Hauptoberflä¬ che (137a) der zweiten Schicht gegenüber einer ersten Haupt oberfläche (135a) der ersten Schicht (135) geneigt oder ge¬ krümmt ist.
5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, bei dem ein Winkel zwischen der ersten Hauptoberfläche (137a) der zweiten Schicht (137) und der ersten Hauptoberflä¬ che (135a) der ersten Schicht (135) kleiner als 5° ist.
6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement ein oberflächenemittierender Halbleiter laser ist.
7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Unterschied zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex grö¬ ßer als 0,1 ist .
8. Optoelektronische Halbleitervorrichtung (20) mit einer Anordnung einer Vielzahl von optoelektronischen Halbleiterbau elementen (10i, 102,...10n) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wo¬ bei die Brechungsindexmodulationsschicht (133) von mindestens einem ersten und einem zweiten optoelektronischen Halbleiter bauelement jeweils unterschiedlich ausgebildet ist.
9. Optoelektronische Halbleitervorrichtung (20) nach An spruch 8, bei dem die Brechungsindexmodulationsschicht (133i) des ersten optoelektronischen Halbleiterbauelements (10i) ein anderes Verhältnis von Flächenanteilen des ersten Bereichs (136) zu Flächenanteilen des zweiten Bereichs (138) als die Brechungsindexmodulationsschicht (1332) des zweiten optoelekt ronischen Halbleiterbauelements (IO2) aufweist.
10. Optoelektronische Halbleitervorrichtung (20) nach An spruch 8 oder 9, wobei die mindestens zwei Halbleiterbauele mente (10i, IO2) separat voneinander ansteuerbar sind.
11. Optoelektronische Halbleitervorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, die aus einer Lichtquelle für ein Spektrometer oder einer Sende- oder Empfangsvorrichtung für mehrere verschiedene Kanäle ausgewählt ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements mit:
Ausbilden (S100) eines ersten Resonatorspiegels,
Ausbilden (S110) eines zur Strahlungserzeugung geeigne ten aktiven Bereichs,
Ausbilden (S120) eines zweiten Resonatorspiegels, wobei der erste Resonatorspiegel, der aktive Bereich und der zweite Resonatorspiegel jeweils entlang einer ersten Richtung übereinander angeordnet werden, sowie
Ausbilden (S130) einer Brechungsindexmodulationsschicht innerhalb eines optischen Resonators zwischen dem ersten Re sonatorspiegel und dem zweiten Resonatorspiegel, wobei die Brechungsindexmodulationsschicht erste Bereiche eines ersten Materials mit einem ersten Brechungsindex sowie zweite Berei che eines zweiten Materials mit einem zweiten Brechungsindex aufweist, wobei die ersten Bereiche in einer zur ersten Rich tung senkrechten Ebene angrenzend an die zweiten Bereiche an geordnet werden, bei dem das Ausbilden (S130) der Brechungsin dexmodulationsschicht :
das Ausbilden einer ersten Schicht aus dem ersten Mate rial mit dem ersten Brechungsindex, das Strukturieren des ersten Materials, so dass Öffnun gen in einer ersten Hauptoberfläche der ersten Schicht ausge bildet werden, und
das Aufbringen einer zweiten Schicht aus dem zweiten Material mit dem zweiten Brechungsindex über der ersten
Schicht umfasst, so dass die Öffnungen in der ersten Schicht mit dem zweiten Material gefüllt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem eine laterale Aus- dehnung des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs jeweils kleiner als 0r2Xeff ist, wobei eff eine effektive Emissionswel lenlänge im optischen Resonator ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die laterale Aus- dehnung des ersten Bereichs und des zweiten Bereichs jeweils kleiner als 100 nm ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei ein Unterschied zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex größer als 0,01 ist.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5818066A (en) * 1995-11-21 1998-10-06 Thomson-Csf Optoelectronic quantum well device having an optical resonant cavity and sustaining inter subband transitions
US20170104313A1 (en) * 2015-10-08 2017-04-13 International Business Machines Corporation Vertical Microcavity with Confinement Region Having Sub-Wavelength Structures to Create an Effective Refractive Index Variation
US20180316155A1 (en) * 2017-04-28 2018-11-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Multi-wavelength laser apparatus

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4710282B2 (ja) 2004-09-06 2011-06-29 富士ゼロックス株式会社 多波長面発光レーザの製造方法
JP4944788B2 (ja) 2004-11-29 2012-06-06 アライト フォトニックス エイピーエス 単一モードフォトニック結晶ｖｃｓｅｌ
JP2010192645A (ja) * 2009-02-18 2010-09-02 Toshiba Corp 半導体発光素子及びその製造方法
DE102009013909A1 (de) 2009-03-19 2010-09-23 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optoelektronisches Halbleiterbauteil
US20120093189A1 (en) * 2010-01-29 2012-04-19 Fattal David A Multimode vertical-cavity surface-emitting laser arrays
US8743923B2 (en) * 2012-01-31 2014-06-03 Flir Systems Inc. Multi-wavelength VCSEL array to reduce speckle
WO2016031965A1 (ja) * 2014-08-29 2016-03-03 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ
JP6860175B2 (ja) * 2016-02-29 2021-04-14 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶面発光レーザ及びその製造方法
EP3742562B1 (de) * 2019-05-23 2024-05-29 Fundació Institut de Ciències Fotòniques Verfahren zur herstellung eines n-dotierten metallchalkogenid-quantenpunkt-festkörperelements mit optischer verstärkung und lichtemitter mit dem element, hergestelltes element und lichtemitter

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5818066A (en) * 1995-11-21 1998-10-06 Thomson-Csf Optoelectronic quantum well device having an optical resonant cavity and sustaining inter subband transitions
US20170104313A1 (en) * 2015-10-08 2017-04-13 International Business Machines Corporation Vertical Microcavity with Confinement Region Having Sub-Wavelength Structures to Create an Effective Refractive Index Variation
US20180316155A1 (en) * 2017-04-28 2018-11-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Multi-wavelength laser apparatus

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FIORE A ET AL: "Postgrowth Tuning of Semiconductor Vertical Cavities for Multiple-Wavelength Laser Arrays", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, USA, vol. 35, no. 4, 1 April 1999 (1999-04-01), XP011052177, ISSN: 0018-9197 *

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