WO2021144261A1 - Halbleiterlaserdiode und verfahren zur herstellung einer halbleiterlaserdiode - Google Patents

Halbleiterlaserdiode und verfahren zur herstellung einer halbleiterlaserdiode Download PDF

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Jens Ebbecke
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01S5/185—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only horizontal cavities, e.g. horizontal cavity surface-emitting lasers [HCSEL]

Definitions

  • a semiconductor laser diode is specified.
  • a method for producing a semiconductor laser diode is specified.
  • One problem to be solved is, among other things, to specify a semiconductor laser diode which is characterized by lower costs, a longer service life and easier handling.
  • Another object to be solved consists, among other things, in specifying a method for producing such a semiconductor laser diode.
  • the semiconductor laser diode comprises a semiconductor layer sequence with an active zone.
  • the semiconductor layer sequence comprises a p-conducting semiconductor layer and an n-conducting semiconductor layer, the active zone being arranged between the p-conducting layer and the n-conducting layer.
  • the active zone is used to generate electromagnetic radiation.
  • the active region includes at least one quantum well in particular S grapplture in the form of a single Quantum well, SQW for short, or in the form of a
  • the active zone contains one, preferably several, secondary pot structures.
  • electromagnetic radiation in the blue or green or red spectral range or in the UV range or in the IR range is generated in the active zone during normal operation.
  • electromagnetic radiation it is possible for electromagnetic radiation to be generated in the active zone in a wavelength range between including the IR range and including the UV range.
  • the semiconductor layer sequence is based on a nitride compound semiconductor material, such as, for example, Al n In ] - nm Ga m N, or on one
  • Phosphide compound semiconductor material such as Al n In ] _- nm Ga m P, or on one
  • Arsenide compound semiconductor material such as Al n In ] __ nm Ga m As, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and m + n, respectively
  • the semiconductor layer sequence can have dopants and additional components.
  • the essential components of the crystal lattice of the semiconductor layer sequence i.e. Al, As,
  • Ga, In, N or P even if some of these can be replaced and / or supplemented by small amounts of other substances.
  • the semiconductor layer sequence has the shape of a general cylinder or a truncated cone with a main axis that is perpendicular to a
  • Main plane of extent of the semiconductor layer sequence runs.
  • the main axis runs perpendicular to a main plane of extent of the active zone.
  • the semiconductor layer sequence preferably has the geometric shape of a straight circular cylinder.
  • the semiconductor layer sequence is then circular in plan view.
  • the main axis is then an axis of rotational symmetry of the semiconductor layer sequence.
  • straight circular cylinder is meant here and in the following a cylindrical geometric figure, each of which has a circular disk as a base and top surface as well as a lateral surface that connects the base to the top surface.
  • the base and the top surface are perpendicular to one of the Both surfaces are congruent.
  • “top view” means a view of the semiconductor layer sequence in the direction of the main axis.
  • the semiconductor layer sequence has, for example, the geometric shape of a prism, in particular a straight prism.
  • a base area of the prism can be seen in plan view.
  • the semiconductor layer sequence has the shape of a polygon, in particular that of a hexagon or an octagon.
  • “prism” means a geometric figure which has a polygon as a base and a top surface.
  • the prism also has a jacket surface that connects the base to the top surface.
  • the base and the top surface in view perpendicular to one of the two surfaces congruent.
  • the semiconductor layer sequence it is possible for the semiconductor layer sequence to have the shape of a truncated cone.
  • the main axis is, for example, an axis of rotational symmetry of the semiconductor layer sequence.
  • a main area of the semiconductor layer sequence has the shape of a circular disk, for example in plan view.
  • a base area of the semiconductor layer sequence opposite the main area has the shape of a circular disk, for example in plan view.
  • the base area and the main area are parallel to the main plane of extent of the semiconductor layer sequence and in particular perpendicular to the main axis.
  • the base area preferably has a smaller radius than the main area.
  • a side surface, also called a jacket surface, of the semiconductor layer sequence encloses an angle with the main surface. This angle is in particular between 30 ° and 60 ° inclusive, for example 45 °.
  • the semiconductor layer sequence has, for example, a diameter, measured perpendicular to the main axis, of at least 1 ⁇ m and at most 500 ⁇ m, in particular of at least 5 ⁇ m and at most 50 ⁇ m.
  • a thickness of the semiconductor layer sequence, measured parallel to the main axis, is, for example, at most 20 ⁇ m, preferably between 2 ⁇ m and 5 ⁇ m inclusive. Radiation which is generated in the active zone during normal operation leaves the semiconductor laser diode, for example, transversely, in particular perpendicularly, to the main axis.
  • the semiconductor layer sequence has a core area and a core area directly adjoining the core area Edge area.
  • the main axis runs through the core area.
  • the edge area delimits the core area in directions perpendicular to the main axis.
  • the edge area delimits the core area in all directions perpendicular to the main axis.
  • the core area has the same geometric shape as the semiconductor layer sequence.
  • the core area has the shape of a right circular cylinder or the shape of a prism.
  • the core region has the shape of a straight circular cylinder.
  • the core area has the shape of a circular disk within the scope of a manufacturing tolerance.
  • the manufacturing tolerance allows, for example, deviations of a maximum of 10% or a maximum of 5%.
  • the core region preferably has an axis of rotational symmetry which runs parallel to the main axis of the semiconductor layer sequence. More preferably, the axis of rotational symmetry of the core region coincides with the main axis of the semiconductor layer sequence.
  • the core area has a diameter, measured perpendicular to the rotational symmetry axis, of at least 1 ⁇ m and of at most 500 ⁇ m, in particular of at least 5 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • the thickness of the core region, measured parallel to the rotational symmetry axis preferably corresponds to the thickness of the semiconductor layer sequence.
  • the edge region has the shape of a circular ring, for example in a plan view of the semiconductor layer sequence from the direction of the main axis within the scope of the manufacturing tolerance on.
  • the edge area can thus be recognized in plan view by two concentric circular lines and an area between the circular lines.
  • the edge area then has the shape of a hollow cylinder.
  • the edge region preferably has a thickness which corresponds to the thickness of the core region and / or the thickness of the semiconductor layer sequence.
  • the circular ring that can be seen in plan view has, for example, a width, which results from the difference in the diameter of the concentric circles, which is between 100 nm and 10 ⁇ m.
  • the width is preferably at least 1 pm and at most 2 pm.
  • the edge area also has an axis of rotational symmetry.
  • the rotational symmetry axis of the edge region preferably runs parallel to the rotational symmetry axis of the core region or to the main axis of the
  • the axes of symmetry of the edge region and of the core region coincide with the main axis of the semiconductor layer sequence.
  • the width of the edge region decreases starting from the main area of the semiconductor layer sequence in the direction of the base area of the semiconductor layer sequence.
  • the semiconductor layer sequence has a greater refractive index in the core area than in the edge area.
  • the difference in the refractive index is at least 0.1% and at most 1%.
  • the difference in the index of refraction is lxlO- ⁇ .
  • the refractive index changes at an interface between the core area and the edge area over a distance of at most 200 nm, preferably by at most 100 nm.
  • the semiconductor laser diode comprises a semiconductor layer sequence with an active zone.
  • the semiconductor layer sequence has the shape of a general cylinder and a main axis of the semiconductor layer sequence is perpendicular to a main plane of extent of the semiconductor layer sequence.
  • the semiconductor layer sequence has a core area and an edge area directly adjoining the core area.
  • the main axis runs through the core area.
  • the edge area delimits the core area in directions perpendicular to the main axis.
  • the semiconductor layer sequence in the core area has a greater refractive index than in the edge area.
  • a semiconductor laser diode described here is based, among other things, on the following technical features.
  • a particularly small laser diode it can be designed in the shape of a cylinder or in the form of a prism with a polygon as the base area.
  • So-called ring modes also known from English as whispering gallery modes, are generated in such a semiconductor laser diode. These modes run along an outside of the laser diode, whereby a surface treatment of the outside has a considerable influence on the efficiency and
  • the outside is, for example, with cleaned with a hydrogen plasma and then passivated.
  • the passivation takes place, for example, with ZnSe or a similar material.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • MBE is a complex and costly process.
  • the semiconductor laser diode described here makes use, inter alia, of the idea of changing the refractive index of the semiconductor layer sequence in an edge region in such a way that the ring mode propagates along an interface between a core region and the edge region.
  • the semiconductor layer sequence In the edge area, the semiconductor layer sequence has a lower refractive index than in the core area. This leads to total reflection at the interface, as a result of which radiation is not guided on an outside of the semiconductor laser diode, but rather within the semiconductor layer sequence.
  • costly cleaning of the outside and subsequent passivation can advantageously be dispensed with.
  • semiconductor laser diodes or one of their embodiments described above are based on the core region and the edge region on the same semiconductor material system.
  • the semiconductor layer sequence is based on the same both in the edge area and in the core area Compound semiconductor material.
  • the semiconductor layer sequence in the core area and in the edge area has been produced in a common growth process.
  • the semiconductor layer sequence in the edge region differs from the semiconductor layer sequence in the core region with regard to its doping or its concentration of foreign atoms.
  • the edge area was not applied subsequently to the core area, but these two areas are grown epitaxially essentially at the same time and at least one of the two is converted into the edge area or the core area after the growth.
  • the semiconductor layer sequence is formed in one piece.
  • Semiconductor layer sequence introduced foreign atoms. If the material of the semiconductor layer sequence is, for example, a III-V compound semiconductor material, then, for example, atoms of the second main group are introduced into the edge region. In particular, aluminum is introduced in the edge area. For example, in the edge area there are foreign atoms with a concentration between and including lxl and 1x10 ⁇ 0 cm 3 introduced.
  • the introduction of the foreign atoms changes the band gap of the semiconductor layer sequence within the edge region.
  • the band gap is enlarged.
  • the refractive index of the semiconductor layer sequence is reduced in the edge region.
  • the refractive index of the edge region can advantageously be reduced in a targeted manner by introducing foreign atoms in the edge region.
  • the semiconductor layer sequence has the shape of a straight circular cylinder.
  • Semiconductor layer sequence is preferably rotationally symmetrical with respect to the main axis.
  • the main axis of the semiconductor layer sequence is an axis of rotational symmetry.
  • Particularly compact semiconductor laser diodes can preferably be implemented with such cylindrical semiconductor layer sequences.
  • the semiconductor layer sequence has the shape of a prism.
  • the semiconductor layer sequence has the shape of a prism.
  • a base area of the prism which can be seen in a plan view of the semiconductor layer sequence, has the shape of a regular polygon with at least six corners.
  • the base has the shape of a hexagon (hexagon) or an octagon (octagon).
  • a semiconductor laser diode with the geometric shape of a prism can be manufactured particularly easily and inexpensively.
  • the semiconductor layer sequence has a central zone.
  • the central zone lies at least partially within the edge area.
  • the central zone comprises the active zone, a first waveguide layer and a second waveguide layer.
  • the active zone is arranged between the first and the second waveguide layer.
  • Foreign atoms are introduced into areas of the central zone that lie within the edge area.
  • the waveguide layers each have a doping.
  • the first waveguide layer is n-doped and the second waveguide layer is p-doped.
  • the doping can be the other way around.
  • radiation that is generated in the active zone is guided in the central zone. Radiation that is generated in the active zone preferably propagates in the
  • the refractive index of the central zone in the edge area can advantageously be reduced compared to the refractive index in the core area.
  • a ring mode that propagates in the central zone can thus be guided along an interface between the edge region and the core region.
  • the semiconductor layer sequence has a main surface on which a dielectric element is arranged.
  • the dielectric element covers the core area in places.
  • the edge region of the semiconductor layer sequence is free of the dielectric element.
  • the dielectric element comprises a dielectric.
  • the dielectric of the dielectric element is, for example, an oxide, in particular silicon dioxide (SiO2), or a nitride, such as silicon nitride (SiN).
  • the dielectric element can also completely cover the core area.
  • the main area of the semiconductor layer sequence is preferably facing outwards exposed surface of the semiconductor layer sequence is formed, which runs parallel to the main plane of extent of the semiconductor layer sequence.
  • the dielectric element leads in particular to mechanical stresses in the semiconductor layer sequence, as a result of which the refractive index of the semiconductor layer sequence changes.
  • the refractive index is the
  • the mechanical stresses continue in the semiconductor layer sequence starting from the main surface of the semiconductor layer sequence. For example, the mechanical stresses continue in a direction parallel to the main axis of the semiconductor layer sequence up to a maximum of 20 ⁇ m into the semiconductor layer sequence. If the thickness of the semiconductor layer sequence, measured parallel to the main axis of the semiconductor layer sequence, is, for example, at most 5 ⁇ m, the mechanical stresses continue in the entire semiconductor layer sequence.
  • the refractive index in the core area can advantageously be increased in a targeted manner by applying a dielectric element.
  • a ring mode which propagates in the semiconductor layer sequence, can be guided along an interface between the core region and the edge region.
  • the dielectric member on a side facing away from the main surface of the semiconductor layer sequence page contact S on gagture.
  • the contact S gagture penetrates the dielectric element in places.
  • the contact structure is in direct contact with the semiconductor layer sequence in places.
  • the contact structure is in direct contact with the semiconductor layer sequence at the points at which it penetrates the dielectric element.
  • the dielectric element is completely covered by the contact structure in a plan view of the main surface of the semiconductor layer sequence.
  • the contact structure is preferably in direct contact with the semiconductor layer sequence exclusively in the core area.
  • the application of the contact structure changes the refractive index of the semiconductor layer sequence only insignificantly at the points at which the contact structure is in contact with it.
  • the contact structure comprises one metal or more metals or a mixture of metals.
  • the metals are for example titanium, platinum and gold.
  • the semiconductor layer sequence is energized by means of the contact structure during normal operation.
  • a current impression preferably takes place only in the core region of the semiconductor layer sequence.
  • electromagnetic radiation is preferably generated only in the core region of the semiconductor layer sequence. A large part of the electromagnetic radiation, in particular all electromagnetic radiation that is generated in the active zone during normal operation, can thus advantageously propagate at an interface between the core area and the edge area.
  • the edge region has a
  • the semiconductor layer sequence has a higher refractive index in the region of the coupling-out structure than in the edge region surrounding the coupling-out structure.
  • the refractive index is lx10- ⁇ higher in the area of the coupling-out structure than in the edge area of the semiconductor layer sequence.
  • the refractive index is at least 0.01% and at most 1% higher in the area of the coupling-out structure of the edge area.
  • the refractive index of the semiconductor layer sequence in the area of the coupling-out structure has the same value as the refractive index in the core area.
  • the condition for total reflection is not met for an interface between the core area and the edge area in the area of the coupling-out structure and radiation that propagates within the core area can leave the semiconductor layer sequence in the area of the coupling-out structure.
  • Semiconductor laser diode or one of its embodiments described above is a main emission direction of radiation generated in operation in the active zone parallel to the main axis of the semiconductor layer sequence.
  • the main direction of emission is in particular the direction in which the radiation emitted by the semiconductor laser diode during operation has its intensity maximum.
  • the semiconductor laser diode has in particular the shape of a truncated cone.
  • the side surface closes with the main surface of the
  • Semiconductor layer sequence for example, an angle of 45 °.
  • the radiation guided in the core area during operation strikes a side surface of the semiconductor layer sequence, since in the area of the outcoupling structure the radiation penetrates into the edge area. Total reflection of the radiation takes place on the side surface of the semiconductor layer sequence.
  • the radiation is preferably reflected in the direction of the main surface. Radiation then emerges from the semiconductor laser diode through an exit surface which is formed in particular by a surface of the coupling-out structure that is parallel to the main surface.
  • the exit surface is preferably part of the main surface.
  • physical properties of the exit surface can be set in a relatively simple manner in a defined manner. This means that, in particular, a reflectivity of the exit surface can be specified particularly well and / or non-radiating surface states can be reduced. Non-radiating surface conditions can lead, among other things, to the destruction of the exit surface, also known from English as "catastrophic optical mirror damage", or COMD for short.
  • An adaptation of the physical properties of the exit surface is possible in particular in a relatively simple manner, since the exit surface is better lithographically is accessible than the side face. That is, a surface treatment of the exit surface is easier than a surface treatment of the side surface.
  • a semiconductor laser diode described here the main emission direction of which is perpendicular to the main plane of extent of the semiconductor layer sequence, is particularly well suited for use in a display.
  • the reason for this is in particular the possibility of making the semiconductor laser diode particularly compact.
  • the semiconductor layer sequence is in direct contact with a further dielectric element in the region of the coupling-out structure.
  • the further dielectric element comprises the same materials as the dielectric element which covers the core area in places.
  • the refractive index in the area of the coupling-out structures is increased via the refractive index of the semiconductor layer sequence in the core area.
  • such an increase in the refractive index in the area of the coupling-out structure allows radiation which is located in the core area of the
  • Semiconductor layer sequence spreads, particularly efficiently decouple from the semiconductor layer sequence.
  • the semiconductor layer sequence is based on an Al n In ] __ nm Ga m As material system, Al n In ] __ nm Ga m N-
  • the refractive index difference is at least 0.2% and at most 0.5%.
  • the semiconductor layer sequence has a refractive index of 3.5 in the core region and the semiconductor layer sequence has a refractive index of 3.499 in the edge region.
  • the refractive index is determined in particular at a wavelength that is generated by the active zone as intended.
  • the refractive index is an average refractive index of the semiconductor layer sequence.
  • the refractive index is preferably the mean refractive index in the central zone of the semiconductor layer sequence.
  • Such a refractive index difference is advantageously sufficient for total reflection to occur at an interface between the edge region and the core region. A ring mode can thus be guided along the interface between the core area and the edge area.
  • a method for producing a semiconductor laser diode is also specified.
  • the semiconductor laser diode described here and its embodiment can in particular be produced by the method. That is to say that all of the features disclosed for the semiconductor laser diode are also disclosed for the method, and vice versa.
  • a semiconductor layer sequence with an active zone is provided. For example, the
  • the substrate is a growth substrate on which the semiconductor layer sequence was grown epitaxially.
  • the semiconductor layer sequence was deposited epitaxially on the growth substrate, for example by means of organometallic gas phase epitaxy, MOVPE for short, or organometallic chemical vapor deposition, MOCVD for short, or by means of molecular beam epitaxy, MBE for short.
  • the semiconductor layer sequence was preferably grown in one piece.
  • the semiconductor layer sequence can have been detached from the growth substrate and transferred to the substrate.
  • the substrate differs from the growth substrate.
  • the semiconductor layer sequence is etched so that the
  • Semiconductor layer sequence has the shape of a general cylinder or a truncated cone with a main axis running perpendicular to a main plane of extension of the semiconductor layer sequence.
  • a main area of the semiconductor layer sequence which runs parallel to the main plane of extent of the semiconductor layer sequence and forms an externally exposed surface of the semiconductor layer sequence, is partially covered with a mask.
  • the mask In a plan view of the main surface of the semiconductor layer sequence, the mask preferably has the shape of a circular disk or a regular polygon, for example one Hexagon or an octagon.
  • the semiconductor layer sequence is then etched so that unmasked regions of the semiconductor layer sequence are removed. For example, a dry chemical etching method such as plasma etching or a wet chemical etching method such as etching with KOH is used.
  • a core region and an edge region of the semiconductor layer sequence are formed, the core region being delimited by the edge region in directions perpendicular to the main axis.
  • a refractive index of the semiconductor layer sequence is changed in areas.
  • the refractive index of the semiconductor layer sequence is specifically reduced in the edge region or the refractive index of the semiconductor layer sequence is specifically increased in the core region.
  • the semiconductor layer sequence has a lower refractive index in the edge area than in the core area.
  • the edge area and the core area preferably adjoin one another directly, so that the edge area and the core area form an interface.
  • a semiconductor laser diode can be produced in which a ring mode runs at an interface between the core area and the edge area.
  • the refractive index of the semiconductor layer sequence in the edge region is determined by the penetration of foreign atoms by means of diffusion decreased.
  • a similar method is also known from English as "quantum well intermixing".
  • aluminum atoms are introduced as foreign atoms in the edge region of the semiconductor layer sequence.
  • the semiconductor layer sequence is heated to a temperature between 800 ° C. and 1000 ° C. in this method step , so that the foreign atoms can diffuse into the semiconductor layer sequence.
  • the diffusion of the foreign atoms into the semiconductor layer sequence preferably takes place under a protective gas atmosphere.
  • argon is used as the protective gas.
  • the semiconductor layer sequence is furthermore preferably dielectrically encapsulated during the diffusion of foreign atoms.
  • silicon dioxide or silicon nitride is applied to the semiconductor layer sequence for this purpose, so that a semiconductor material of the semiconductor layer sequence is protected from the high temperatures during the diffusion of the foreign atoms.
  • the refractive index in the edge region can advantageously be reduced in a particularly simple manner by introducing foreign atoms.
  • the refractive index of the semiconductor layer sequence is increased in the core region by applying a dielectric element in places on a main surface of the semiconductor layer sequence.
  • the dielectric element is deposited.
  • the dielectric element is applied by means of gas phase deposition.
  • the dielectric element comprises, for example, silicon dioxide (SiO2) and / or silicon nitride (SiN).
  • the application of the dielectric element causes mechanical stresses in the Induced semiconductor layer sequence.
  • the refractive index of the semiconductor layer sequence increases in the core area.
  • the refractive index of the semiconductor layer sequence in the core region can thus advantageously be increased by applying the dielectric element without the semiconductor material of the semiconductor layer sequence having to be exposed to external influences which could damage the material.
  • a contact S gagture arranged at a side facing away from the major surface area of the dielectric member.
  • the contact S is placed gagture such that the contact S gagture the dielectric member penetrates places and the contact S gagture places in direct contact with the semiconductor layer sequence is.
  • the semiconductor layer sequence is particularly gagture energized by the contact S.
  • the contact includes a S gagture or more metals, such as titanium, platinum and / or gold.
  • the contact S gagture is deposited by sputtering.
  • the dielectric member is structured before application of the contact S gagture.
  • the dielectric element is structured in a lithographically defined etching process. Tructure of the contact S on the semiconductor layer sequence of the refractive index of the semiconductor layer sequence at these points is preferably only slightly compared to the refractive index of the semiconductor layer sequence, which is covered by the dielectric member is changed by the application.
  • a coupling-out structure is formed in the edge region.
  • the refractive index of the semiconductor layer sequence is increased in the area of the coupling-out structure compared to the edge area surrounding the coupling-out structure.
  • the diffusion of foreign atoms is deliberately avoided in the area of the coupling-out structure.
  • a refractive index difference in the semiconductor layer sequence between the edge area and the core area is advantageously smaller than in the rest of the edge area or disappears completely, so that in this area radiation that is guided along the interface between the core area and the edge area can leave the semiconductor layer sequence.
  • a further dielectric element is arranged on the semiconductor layer sequence in the region of the coupling-out structure.
  • the further dielectric element is applied using the same methods as the dielectric element that covers the core region and comprises the same materials.
  • the refractive index in the region of the coupling-out structure can advantageously be increased further by applying a further dielectric element, so that radiation which runs along the interface between the core region and the edge region preferably leaves the semiconductor layer sequence in the region of the coupling-out structure.
  • a A passivation layer is arranged on the outer surface of the semiconductor layer sequence, which runs transversely, in particular perpendicularly, to the main surface.
  • the outer surface is in particular a jacket surface of the semiconductor layer sequence.
  • the passivation layer is deposited on the outer surface.
  • the passivation layer comprises a II-VI compound semiconductor material such as ZnSe.
  • the passivation layer is preferably transparent to electromagnetic radiation that is generated in the active zone during normal operation.
  • FIGS. 8A to 8D different process stages of a process for producing a semiconductor laser diode according to an exemplary embodiment.
  • the main surface 10 extends parallel to a main plane of extent of the semiconductor layer sequence 2 and perpendicular to a main axis 4 of the semiconductor layer sequence 2, which has the shape of a straight circular cylinder .
  • the main axis 4 is in particular an axis of rotational symmetry of the semiconductor layer sequence 2.
  • the semiconductor layer sequence 2 has a core region 5 around the main axis 4 and, viewed from the main axis 4, an edge region 6 surrounding the core region 5.
  • the edge area 6 and the core area 5 directly adjoin one another and have an interface with one another.
  • the core area 5 is in particular completely enclosed by the edge area 6 in the direction perpendicular to the main axis 4.
  • the core area 5 has the shape of a circular disk.
  • the edge region 6 has the shape of a circular ring.
  • the core region 5 and the edge region 6 each have an axis of rotational symmetry which coincides with the main axis 4 of the semiconductor layer sequence 2.
  • the semiconductor layer sequence 2 has a lower refractive index in the edge region 6 than in the core region 5.
  • a refractive index difference of the semiconductor layer sequence 2 between the edge region 6 and the Core area 5 lxlO- ⁇ Due to the difference in refractive index between the core area 5 and the edge area 6, electromagnetic radiation 15, indicated here and below as a dashed line for illustration, which is generated in the active zone 3 of the semiconductor layer sequence 2, spreads at the interface between the core area 5 and the edge area 6 in the semiconductor layer sequence 2.
  • the electromagnetic radiation 15 is reflected at the interface by means of total reflection.
  • a ring mode of the electromagnetic radiation 15 is thus preferably formed within the core area.
  • the core area 5 preferably has a diameter of at least 1 mpi and at most 200 mpi, in particular of at least 5 mpi and at most 50 mpi, in plan view, whereby in particular the condition for total reflection is met.
  • the edge region 6 has a width, measured perpendicular to the main axis 4, which is between 100 nm and 10 mpi inclusive. The width is preferably so large that an evalescent wave which is formed during total reflection at the interface between the core region 5 and the edge region 6 in the edge region 6 is not transmitted through the edge region 6.
  • the semiconductor laser diode of FIG. 1 is shown in a schematic sectional view.
  • a sectional plane runs parallel to the main axis 4 and contains the main axis 4.
  • the semiconductor layer sequence 2 has a first cover layer 16, a second cover layer 17 and a central zone 7, the central zone 7 being arranged between the first 16 and the second 17 cover layer .
  • the central zone 7 has a first waveguide 8, a second waveguide 9 and an active zone 3 between the first waveguide 8 and the second waveguide 9 is arranged on.
  • electromagnetic radiation 15 is generated in the active zone 3 in the visible wavelength range or in the UV range or preferably in the IR range.
  • the semiconductor layer sequence 2 is based on one
  • Arsenide compound semiconductor material such as InAlGaAs.
  • electromagnetic radiation 15 with a peak wavelength of 910 nm, for example, is generated in the active zone 3.
  • the peak wavelength is the wavelength at which the electromagnetic radiation generated in the active zone has its global maximum intensity.
  • the first cover layer 16 and the first waveguide layer 8 are n-doped.
  • the second cover layer 17 and the second waveguide layer 9 are then p-doped.
  • the doping can also be the other way around.
  • the central zone 7 preferably has a refractive index which is different from that of the first and second cover layers 16, 17.
  • Electromagnetic radiation 15, which is generated in the active zone 3, preferably only propagates in the central zone 7.
  • the semiconductor layer sequence 2, in particular the central zone 7, has a refractive index of 3.5 in the core region 5.
  • the refractive index is an average refractive index.
  • the refractive index for radiation 15 which is generated in the active zone 3 is preferably specified.
  • the refractive index is given with reference to the peak wavelength. In the present case, therefore, for electromagnetic radiation 15 with a wavelength of 910 nm.
  • the central zone 7 has a in the edge region 6 Refractive index of 3.499.
  • the refractive index is an average refractive index.
  • the foreign atoms are, for example, elements of group II, preferably aluminum.
  • a band gap in the central zone 7 in the edge region 6 changes as a result of the foreign atoms.
  • a concentration of the foreign atoms in the edge area 6 of the central zone 7 is preferably between 1x10 - * - ⁇ and 1x10 ⁇ 0 cm 3.
  • the semiconductor laser diode 1 according shows the embodiment of Figure 3 is substantially the same characteristics as the semiconductor laser diode 1 according to the Figure 1.
  • a contact S gagture 12 is presently covered.
  • the semiconductor laser diode 1 of Figure 3 is shown in Figure 4 in a schematic sectional view.
  • a sectional plane runs through the main axis 4.
  • a dielectric element 11 is arranged on a main surface 10 of the semiconductor layer sequence 2.
  • the dielectric member 11 is covered places the core region 5 of the semiconductor layer sequence 2.
  • covering the dielectric member 11 a large portion of the main surface is 10 5 in the core area at a surface of the dielectric member 11, which faces away from the main surface 10, a contact S gagture 12 arranged.
  • the dielectric element 11 was removed in places, so that the dielectric element 11 is designed in two parts in the present case.
  • a first part of the optical element 11 has the shape of a circular disk in plan view.
  • the main axis 4 runs through this first part.
  • the top view of the second part of the dielectric element 11 has the shape of a circular ring which surrounds the first part of the dielectric element 11 in all directions perpendicular to the main axis 4. In regions which are formed between the first part and the second part of the dielectric member 11 penetrates the contact S gagture 12, the dielectric member 11. In these areas, the contact S gagture is in direct contact with the semiconductor layer sequence 2.
  • the contact STRUCTURE 12 with the semiconductor layer sequence 2 only in the core region 5 in contact.
  • the dielectric element 11 was deposited on the main surface 10, in particular by means of gas phase deposition, and then structured in a lithographically defined etching process. Subsequently, the contact S was sputtered for example gagture 12 on the dielectric member. 11
  • the dielectric member 11 includes, for example, an oxide such as silicon dioxide (SiO 2) or a nitride such as silicon nitride (SiN).
  • the contact S gagture 12 is, for example, a metal such as gold, platinum or titanium formed, or formed of a mixture of these metals.
  • the dielectric element 11 induces mechanical stresses in the semiconductor layer sequence 2.
  • the mechanical stresses preferably continue over the entire thickness of the semiconductor layer sequence 2, measured parallel to the main axis 4.
  • the refractive index is the Semiconductor layer sequence 2 in the core region 5 is increased compared to the refractive index of the semiconductor layer sequence 2 in the edge region 6.
  • a refractive index difference in the semiconductor layer sequence 2 between the core region 5 and the edge region 6 is at least 1 ⁇ 10- ⁇ .
  • the semiconductor layer sequence 2 is energized in particular by the contact S gagture 12th
  • the contact is S gagture 12 in direct contact with a semiconductor layer of the semiconductor layer sequence, the p-doped.
  • contact S gagture 12 is therefore preferably a p-contact S gagture.
  • the semiconductor laser diode 1 of Figure 5 shows substantially the same features as Figure 1 with the difference that a contact S is disposed on the main surface 10 gagture 12th
  • the contact gagture S 12 it is preferably a p-contact S gagture 12 having a rotational symmetry axis of which coincides with the main axis 4 of the semiconductor layer sequence. 2
  • the p-contact S gagture 12 is only in direct contact with the semiconductor layer sequence 2 in the core portion 5. In the normal operation, the
  • the semiconductor layer sequence 2 is energized via the contact S gagture 12th Because of the direct contact between the semiconductor layer sequence 2 and the contact S gagture exclusively in the core region 5 is preferably electromagnetic radiation is generated exclusively in the core region. 5
  • the semiconductor laser diode 1 of Figure 6 shows essentially all the features of the semiconductor laser diode of Figure 5 with the The difference is that a coupling-out structure 13 is formed in the edge region 6. For example, no diffusion of foreign atoms was made in the area of the coupling-out structure 13.
  • the semiconductor layer sequence 2 in the area of the decoupling structure 13 has the same refractive index as in the core area 5. Since there is therefore no difference in refractive index between the core area 5 and the edge area 6 in the area of the decoupling structure 13, the condition for total reflection is not met here either. Electromagnetic radiation 15 can therefore leave the semiconductor laser diode 1 in the area of the coupling-out structure 13 perpendicular to the main axis 4.
  • the semiconductor laser diode 1 according to the exemplary embodiment in FIG. 7 has essentially the same features as the semiconductor laser diode in FIG. 6, with the difference that a further dielectric element 14 is arranged on the main surface 10 in the region of the coupling-out structure 13.
  • the further dielectric element 14 induces mechanical stresses in the semiconductor layer sequence 2 in the region of the coupling-out structure 13, as a result of which the refractive index in this region is increased compared to the surrounding edge region 6.
  • the refractive index of the semiconductor layer sequence 2 is increased above the value of the semiconductor layer sequence 2 in the core area 5.
  • the coupling-out of electromagnetic radiation 15 from the core area 5 is therefore increased in the area of the coupling-out structure 13.
  • a semiconductor layer sequence 2 is first provided on a substrate 18 (FIG. 8A).
  • a semiconductor laser diode 1 according to FIG produced one of the embodiments explained above.
  • the semiconductor layer sequence 2 has a first cover layer 16, a second cover layer 17 and a central zone 7 between these two layers.
  • the central zone 7 comprises a first waveguide layer 8, a second waveguide layer 9 and an active zone 3 arranged between them.
  • the substrate 18 is, for example, that
  • the semiconductor layer sequence 2 was grown in one piece on the substrate 18.
  • a mask 19 is applied to a surface of the semiconductor layer sequence 2 which is the substrate
  • the mask 19 is, for example, a hard mask.
  • unmasked regions of the semiconductor layer sequence 2 are etched (FIG. 8C).
  • semiconductor material of the semiconductor layer sequence 2 is removed in regions that are not covered by the hard mask 19.
  • the semiconductor layer sequence 2 has a cylindrical shape.
  • the semiconductor layer sequence 2 has a main axis 4.
  • the main axis 4 runs perpendicular to the main plane of extent of the semiconductor layer sequence 2, in particular perpendicular to the main plane of extent of the active zone 3.
  • a core area 5 and an edge area 6 are formed (FIG. 8D).
  • the hard mask 19 was removed beforehand.
  • the edge region 6 is, for example, by introducing foreign atoms into the
  • Semiconductor layer sequence 2 formed. For example, will a refractive index of the semiconductor layer sequence 2 is reduced in the edge region.
  • the foreign atoms are introduced into the semiconductor layer sequence 2 by means of diffusion, for example.
  • aluminum is diffused into the semiconductor layer sequence 2, which is based on a III-V compound semiconductor material.
  • a finished semiconductor laser diode 1 is produced by forming the core region 5 and the edge region 6.
  • the semiconductor laser diode 1 In contrast to the semiconductor laser diode 1 in FIG. 1, the semiconductor laser diode 1 according to the exemplary embodiment in FIG. 9 has an additional passivation layer 20.
  • the passivation layer 20 is arranged on an outer surface of the semiconductor layer sequence 2, in particular the edge region 6.
  • the outer surface extends transversely, in particular perpendicularly, to the main surface 10 of the semiconductor layer sequence 2.
  • the outer surface forms a lateral surface of the cylindrical
  • the passivation layer 20 completely covers the outer surface.
  • the passivation layer 20 is, for example, with a II-VI-
  • the passivation layer 20 was applied, for example, after the edge region 6 and core region 5 had been formed.
  • the passivation layer 20 was vapor-deposited or deposited on the outer surface.
  • the embodiment of the semiconductor laser diode 1 according to FIG. 10 differs from the embodiment of FIG. 1 shows that the semiconductor layer sequence 2 has the shape of a prism, in particular a straight prism.
  • the prism has a base in the form of a regular hexagon (hexagon).
  • the semiconductor layer sequence 2 is based on GaN.
  • a semiconductor layer sequence 2 with the present geometric shape can advantageously be produced particularly well.
  • the semiconductor laser diode 1 of FIG. 11 has essentially the same features as the semiconductor laser diode 1 of FIG. 10 with the difference that the base of the prism has the shape of a regular octagon.
  • the embodiment of the semiconductor laser diode 1 of Figs. 12A and 12B is different from that
  • FIG. 1 includes, among other things, that the semiconductor layer sequence 2 has the shape of a truncated cone.
  • FIG. 12A shows a plan view of the main surface 10 of the semiconductor layer sequence 2.
  • FIG. 12B shows a section through the semiconductor layer sequence 2 according to FIG. 12A perpendicular to the plane of the drawing along the line A-A drawn there.
  • the semiconductor laser diode 1 according to this exemplary embodiment comprises a coupling-out structure 13 which essentially corresponds to the coupling-out structure 13 explained in connection with FIG. 6. In particular, occurs in the field of
  • Outcoupling structure 13 no total reflection of the radiation 15 at the interface between the edge region 6 and the
  • Side surfaces 22 of the semiconductor layer sequence 2 enclose an angle of, for example, 45 ° with the main surface 10 (see FIG. 12B).
  • total reflection occurs on the side surface 22 of the semiconductor layer sequence 2 during operation. Due to the inclined side surface 22, the radiation 15 is reflected in the direction of the main surface 10 of the semiconductor layer sequence 2 during operation. During operation, the reflected radiation 15 exits through an exit surface 23
  • the exit surface 23 is part of the main surface 10 (see FIG. 12A).
  • the radiation emitted by the semiconductor laser diode 1 during operation is parallel to the main axis 4.

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Abstract

Die Halbleiterlaserdiode umfasst eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone. Die Halbleiterschichtenfolge weist die Form eines allgemeinen Zylinders oder eines Kegelstumpfs auf und eine Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge ist senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge weist einen Kernbereich und einen direkt an den Kernbereich grenzenden Randbereich auf. Die Hauptachse verläuft durch den Kernbereich. Der Randbereich begrenzt den Kernbereich in Richtungen senkrecht zur Hauptachse. Die Halbleiterschichtenfolge weist im Kernbereich einen größeren Brechungsindex auf als im Randbereich.

Description

Beschreibung
HALBLEITERLASERDIODE UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER
HALBLEITERLASERDIODE
Es wird eine Halbleiterlaserdiode angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, eine Halbleiterlaserdiode anzugeben, die sich durch geringere Kosten, eine höhere Lebensdauer und eine einfachere Handhabung auszeichnet. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleiterlaserdiode anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst beziehungsweise durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Patentansprüche .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode umfasst diese eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone. Beispielsweise umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine p- leitende Halbleiterschicht und eine n-leitende Halbleiterschicht, wobei die aktive Zone zwischen der p- leitenden Schicht und der n-leitenden Schicht angeordnet ist. Die aktive Zone dient zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung. Die aktive Zone beinhaltet insbesondere wenigstens eine QuantentopfStruktur in Form eines einzelnen Quantentopfs, kurz SQW, oder in Form einer
MultiquantentopfStruktur, kurz MQW. Zusätzlich beinhaltet die aktive Zone eine, bevorzugt mehrere, NebentopfStrukturen. Beispielsweise wird in der aktiven Zone im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung im blauen oder grünen oder roten Spektralbereich oder im UV-Bereich oder im IR- Bereich erzeugt. Insbesondere ist es möglich, dass in der aktiven Zone elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich dem IR-Bereich und einschließlich dem UV-Bereich erzeugt wird.
Beispielsweise basiert die Halbleiterschichtenfolge auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel AlnIn]_- n-mGamN, oder auf einem
Phosphidverbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel AlnIn]_-n-mGamP, oder auf einem
Arsenidverbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel AlnIn]__n-mGamAs, wobei jeweils 0 ^ n < 1, 0 ^ m < 1 und m + n
< 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As,
Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder ihrer oben beschriebenen Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge die Form eines allgemeinen Zylinders oder eines Kegelstumpfs mit einer Hauptachse auf , die senkrecht zu einer
Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge verläuft. Insbesondere verläuft die Hauptachse senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der aktiven Zone.
Bevorzugt weist die Halbleiterschichtenfolge die geometrische Form eines geraden Kreiszylinders auf. Beispielsweise ist die Halbleiterschichtenfolge in Draufsicht dann kreisförmig. Insbesondere handelt es dann bei der Hauptachse um eine Rotationssymmetrieachse der Halbleiterschichtenfolge. Mit „gerader Kreiszylinder" ist hier und im Folgenden eine zylinderförmige geometrische Figur gemeint, die jeweils eine Kreisscheibe als Grundfläche und Deckfläche aufweist sowie eine Mantelfläche, die die Grundfläche mit der Deckfläche verbindet. Insbesondere sind die Grundfläche und die Deckfläche in Sicht senkrecht auf eine der beiden Flächen deckungsgleich. Mit „Draufsicht" ist hier und im Folgenden eine Ansicht der Halbleiterschichtenfolge in Richtung der Hauptachse gemeint.
Alternativ weist die Halbleiterschichtenfolge beispielsweise die geometrische Form eines Prismas, insbesondere eines geraden Prismas, auf. Insbesondere ist in Draufsicht eine Grundfläche des Prismas zu erkennen. Beispielsweise weist die Halbleiterschichtenfolge in Draufsicht die Form eines Vielecks, insbesondere der eines Sechsecks oder eines Achtecks auf. Mit „Prisma" ist hier und im Folgenden eine geometrische Figur gemeint, die ein Polygon als Grundfläche und als Deckfläche aufweist. Weiter weist das Prisma eine Mantelfläche auf, die die Grundfläche mit der Deckfläche verbindet. Bei „einem geraden Prisma" sind die Grundfläche und die Deckfläche in Sicht senkrecht auf eine der beiden Flächen deckungsgleich. Darüber hinaus ist es möglich, dass die Halbleiterschichtenfolge die Form eines Kegelstumpfs aufweist. Die Hauptachse ist zum Beispiel eine Rotationssymmetrieachse der Halbleiterschichtenfolge. Eine Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge weist zum Beispiel in Draufsicht die Form einer Kreisscheibe auf. Eine der Hauptfläche gegenüberliegende Grundfläche der Halbleiterschichtenfolge weist beispielsweise in Draufsicht die Form einer Kreisscheibe auf. Die Grundfläche und die Hauptfläche sind parallel zur Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge und insbesondere senkrecht zur Hauptachse. Bevorzugt weist die Grundfläche einen kleineren Radius auf als die Hauptfläche. Somit schließt eine Seitenfläche, auch Mantelfläche genannt, der Halbleiterschichtenfolge einen Winkel mit der Hauptfläche ein. Dieser Winkel beträgt insbesondere zwischen einschließlich 30° und einschließlich 60°, zum Beispiel 45°.
Die Halbleiterschichtenfolge weist in Draufsicht zum Beispiel einen Durchmesser, gemessen senkrecht zur Hauptachse, von mindestens 1 pm und höchstens 500 pm, insbesondere von mindestens 5 pm und höchstens 50 pm, auf. Eine Dicke der Halbleiterschichtenfolge, gemessen parallel zur Hauptachse, beträgt beispielsweise höchstens 20 pm, bevorzugt zwischen einschließlich 2 pm und einschließlich 5 pm. Strahlung, welche im bestimmungsgemäßen Betrieb in der aktiven Zone erzeugt wird, verlässt die Halbleiterlaserdiode beispielsweise quer, insbesondere senkrecht zur Hauptachse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge einen Kernbereich und einen direkt an den Kernbereich grenzenden Randbereich auf. Die Hauptachse verläuft durch den Kernbereich. Der Randbereich begrenzt den Kernbereich in Richtungen senkrecht zur Hauptachse. Zum Beispiel begrenzt der Randbereich den Kernbereich in allen Richtungen senkrecht zur Hauptachse. Beispielsweise weist der Kernbereich dieselbe geometrische Form auf wie die Halbleiterschichtenfolge. Zum Beispiel weist der Kernbereich die Form eines geraden Kreiszylinders oder die Form eines Prismas auf.
Insbesondere in dem Fall, dass die Halbleiterschichtenfolge die Form eines Kegelstumpfs aufweist, weist der Kernbereich die Form eines geraden Kreiszylinders auf.
Beispielsweise weist der Kernbereich in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge im Rahmen einer Herstellungstoleranz die Form einer Kreisscheibe auf. Die Herstellungstoleranz erlaubt zum Beispiel Abweichungen von höchstens 10 % oder höchstens 5 %. Vorzugsweise weist der Kernbereich eine Rotationssymmetrieachse auf, welche parallel zu der Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge verläuft. Weiter bevorzugt stimmt die Rotationssymmetrieachse des Kernbereichs mit der Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge überein. Beispielsweise weist der Kernbereich einen Durchmesser, gemessen senkrecht zur Rotationssymmetrieachse, von mindestens 1 pm und von höchstens 500 pm, insbesondere von mindestens 5 pm und 50 pm, auf. Die Dicke des Kernbereichs, gemessen parallel zur Rotationssymmetrieachse, stimmt vorzugsweise mit der Dicke der Halbleiterschichtenfolge überein.
Der Randbereich weist beispielsweise in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge aus Richtung der Hauptachse im Rahmen der Herstellungstoleranz die Form eines Kreisrings auf. Der Randbereich ist in Draufsicht somit bevorzugt durch zwei konzentrische Kreislinien und eine Fläche zwischen den Kreislinien zu erkennen. Insbesondere weist dann der Randbereich die Form eines Hohlzylinders auf. In einer Richtung parallel zur Hauptachse weist der Randbereich bevorzugt eine Dicke auf, die mit der Dicke des Kernbereichs und/oder der Dicke der Halbleiterschichtenfolge übereinstimmt. Der in Draufsicht zu erkennende Kreisring weist zum Beispiel eine Breite, die sich aus dem Unterschied der Durchmesser der konzentrischen Kreise ergibt, auf, die zwischen 100 nm und 10 pm liegt. Bevorzugt beträgt die Breite mindestens 1 pm und höchstens 2 pm. Insbesondere weist der Randbereich ebenfalls eine Rotationssymmetrieachse auf. Bevorzugt verläuft die Rotationssymmetrieachse des Randbereichs parallel zur Rotationssymmetrieachse des Kernbereichs oder zur Hauptachse der
Halbleiterschichtenfolge . Weiter bevorzugt stimmen die Symmetrieachsen des Randbereichs und des Kernbereichs mit der Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge überein.
Insbesondere im Fall, dass die Halbleiterschichtenfolge die Form eines Kegelstumpfs aufweist, verringert sich die Breite des Randbereichs ausgehend von der Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge in Richtung der Grundfläche der Halbleiterschichtenfolge .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich einen größeren Brechungsindex auf als im Randbereich. Zum Beispiel beträgt der Unterschied im Brechungsindex mindestens 0,1 % und höchstens 1 %. Zum Beispiel beträgt der Unterschied im Brechungsindex lxlO-^. Beispielsweise ändert sich der Brechungsindex an einer Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich über eine Strecke von höchstens 200 nm bevorzugt von höchstens 100 nm.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlaserdiode eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone. Die Halbleiterschichtenfolge weist die Form eines allgemeinen Zylinders auf und eine Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge ist senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge weist einen Kernbereich und einen direkt an den Kernbereich grenzenden Randbereich auf. Die Hauptachse verläuft durch den Kernbereich. Der Randbereich begrenzt den Kernbereich in Richtungen senkrecht zur Hauptachse. Die Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich weist einen größeren Brechungsindex auf als im Randbereich.
Einer hier beschriebenen Halbleiterlaserdiode liegen unter anderem folgende technische Besonderheiten zugrunde. Um eine besonders kleine Laserdiode zu realisieren, kann diese zylinderförmig oder in Form eines Prismas mit einem Vieleck als Grundfläche ausgestaltet sein. In einer solchen Halbleiterlaserdiode werden sogenannte Ringmoden, aus dem Englischen auch als Whispering Gallery Modes bekannt, erzeugt. Diese Moden laufen entlang einer Außenseite der Laserdiode, wodurch eine Oberflächenbehandlung der Außenseite erheblichen Einfluss auf die Effizienz und
Abstrahlcharakteristik der Laserdiode hat.
Bei herkömmlichen Halbleiterlaserdioden, insbesondere bei Infrarot-Laserdioden, wird beispielsweise die Außenseite mit einem Wasserstoffplasma gereinigt und anschließend passiviert. Die Passivierung erfolgt beispielsweise mit ZnSe oder einem ähnlichen Material. Dieses Verfahren wird zumeist mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) durchgeführt. MBE stellt jedoch einen aufwendigen und kostenintensiven Prozess dar.
Die hier beschriebene Halbleiterlaserdiode macht unter anderem von der Idee Gebrauch, den Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge in einem Randbereich derart zu verändern, dass die Ringmode sich entlang einer Grenzfläche zwischen einem Kernbereich und dem Randbereich ausbreitet. Im Randbereich hat die Halbleiterschichtenfolge einen niedrigeren Brechungsindex als im Kernbereich. Dadurch kommt es zu Totalreflexion an der Grenzfläche, wodurch Strahlung nicht an einer Außenseite der Halbleiterlaserdiode geführt wird, sondern innerhalb der Halbleiterschichtenfolge. Vorteilhafterweise kann damit auf eine aufwendige Reinigung der Außenseite und anschließende Passivierung verzichtet werden. Stattdessen ist es möglich, dass die Außenseite lediglich eine einfache Passivierungsschicht erhält. Somit lässt sich der Einfluss der Außenseite und infolgedessen beispielsweise deren Verunreinigung auf die
Abstrahlcharakteristik und Effizienz der Halbleiterlaserdiode verringern und die Halbleiterlaserdiode ist kostengünstiger herstellbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen basieren der Kernbereich und der Randbereich auf dem gleichen Halbleitermaterialsystem. Beispielsweise basiert die Halbleiterschichtenfolge sowohl im Randbereich als auch im Kernbereich auf demselben Verbindungshalbleitermaterial. Insbesondere ist die Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich und im Randbereich in einem gemeinsamen Aufwachsprozess hergestellt worden. Beispielsweise unterscheidet sich die Halbleiterschichtenfolge im Randbereich von der Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich bezüglich ihrer Dotierung oder ihrer Konzentration an Fremdatomen. Insbesondere wurde der Randbereich auf den Kernbereich nicht nachträglich aufgebracht, sondern sind diese beiden Bereiche im Wesentlichen gleichzeitig epitaktisch aufgewachsen und ist zumindest einer von beiden nach dem Aufwachsen in den Randbereich bzw. den Kernbereich umgewandelt. Insbesondere ist die Halbleiterschichtenfolge einstückig ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen sind im Randbereich der
Halbleiterschichtenfolge Fremdatome eingebracht. Handelt es sich bei dem Material der Halbleiterschichtenfolge zum Beispiel um ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial, so sind beispielsweise Atome der zweiten Hauptgruppe in dem Randbereich eingebracht. Insbesondere ist Aluminium in dem Randbereich eingebracht. Beispielsweise sind in dem Randbereich Fremdatome mit einer Konzentration zwischen einschließlich lxl
Figure imgf000010_0001
und 1x10^0 cm 3 eingebracht.
Insbesondere verändert das Einbringen der Fremdatome die Bandlücke der Halbleiterschichtenfolge innerhalb des Randbereichs. Insbesondere wird die Bandlücke vergrößert. Als Folge dazu verringert sich der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Randbereich. Vorteilhafterweise kann durch Einbringen von Fremdatomen im Randbereich der Brechungsindex des Randbereichs gezielt verringert werden. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge die Form eines geraden Kreiszylinders auf. Die
Halbleiterschichtenfolge ist bevorzugt rotationssymmetrisch bezüglich der Hauptachse. Insbesondere handelt es sich bei der Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge um eine Rotationssymmetrieachse. Vorzugsweise lassen sich mit solch zylinderförmigen Halbleiterschichtenfolgen besonders kompakte Halbleiterlaserdioden realisieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen, mit der Ausnahme der zuletzt beschriebenen Ausführungsform, weist die Halbleiterschichtenfolge die Form eines Prismas auf. Bevorzugt weist die
Halbleiterschichtenfolge die Form eines geraden Prismas auf. Insbesondere weist eine Grundfläche des Prismas, die in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge zu erkennen ist, die Form eines regelmäßigen Vielecks mit mindestens sechs Ecken auf. Beispielsweise weist die Grundfläche die Form eines Sechsecks (Hexagon) oder eines Achtecks (Oktogon) auf. Vorteilhafterweise lässt sich eine Halbleiterlaserdiode mit der geometrischen Form eines Prismas besonders einfach und kostengünstig hersteilen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge eine zentrale Zone auf. Die zentrale Zone liegt zumindest teilweise innerhalb des Randbereichs. Die zentrale Zone umfasst die aktive Zone, eine erste Wellenleiterschicht und eine zweite Wellenleiterschicht. Die aktive Zone ist zwischen der ersten und der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet. In Bereiche der zentralen Zone, die innerhalb des Randbereichs liegen, sind Fremdatome eingebracht. Beispielsweise weisen die Wellenleiterschichten jeweils eine Dotierung auf. Beispielsweise ist die erste Wellenleiterschicht n-dotiert und ist die zweite Wellenleiterschicht p-dotiert. Alternativ kann die Dotierung andersherum sein. Insbesondere wird Strahlung, die in der aktiven Zone erzeugt wird, in der zentralen Zone geführt. Bevorzugt breitet sich Strahlung, die in der aktiven Zone erzeugt wird, in der
Halbleiterschichtenfolge lediglich in der zentralen Zone aus. Vorteilhafterweise lässt sich durch Einbringen von Fremdatomen in die zentrale Zone der Brechungsindex der zentralen Zone im Randbereich gegenüber dem Brechungsindex im Kernbereich verringern. Damit kann eine Ringmode, die sich in der zentralen Zone ausbreitet, an einer Grenzfläche zwischen dem Randbereich und dem Kernbereich entlanggeführt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge eine Hauptfläche auf, an welcher ein dielektrisches Element angeordnet ist. Das dielektrische Element bedeckt den Kernbereich dabei stellenweise. Der Randbereich der Halbleiterschichtenfolge ist frei von dem dielektrischen Element. Das dielektrische Element umfasst ein Dielektrikum. Bei dem Dielektrikum des dielektrischen Elements handelt es sich beispielsweise um ein Oxid, insbesondere um Siliziumdioxid (Si02), oder ein Nitrid, wie zum Beispiel Siliziumnitrid (SiN). Das dielektrische Element kann den Kernbereich auch vollständig bedecken. Die Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge ist bevorzugt durch eine nach außen freiliegende Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge gebildet, welche parallel zu der Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge verläuft.
Das dielektrische Element führt insbesondere zu mechanischen Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge, wodurch sich der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge verändert. Insbesondere wird der Brechungsindex der
Halbleiterschichtenfolge in den Bereichen, in denen ein dielektrisches Element aufgebracht ist, gegenüber den Bereichen, die frei von dem dielektrischen Element sind, erhöht. Die mechanischen Verspannungen setzen sich ausgehend von der Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge in der Halbleiterschichtenfolge fort. Beispielsweise setzen sich die mechanischen Verspannungen in einer Richtung parallel zur Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge bis höchstens 20 pm in die Halbleiterschichtenfolge fort. Beträgt eine Dicke der Halbleiterschichtenfolge, gemessen parallel zur Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge, beispielsweise höchstens 5 pm, setzen sich die mechanischen Verspannungen in der gesamten Halbleiterschichtenfolge fort. Vorteilhafterweise lässt sich durch Aufbringen eines dielektrischen Elements der Brechungsindex im Kernbereich gezielt erhöhen. Somit lässt sich durch Aufbringen eines dielektrischen Elements eine Ringmode, die sich in der Halbleiterschichtenfolge ausbreitet, an einer Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich entlang führen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist das dielektrische Element an einer von der Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite eine KontaktStruktur auf. Die KontaktStruktur durchdringt das dielektrische Element stellenweise. Weiter steht die KontaktStruktur stellenweise in direktem Kontakt zu der Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere steht die KontaktStruktur an den Stellen in direktem Kontakt zu der Halbleiterschichtenfolge, an denen sie das dielektrische Element durchdringt. Beispielsweise wird das dielektrische Element in Draufsicht auf die Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge vollkommen von der KontaktStruktur überdeckt. Bevorzugt steht die KontaktStruktur mit der Halbleiterschichtenfolge ausschließlich im Kernbereich in direktem Kontakt.
Vorzugsweise verändert das Aufbringen der Kontaktstruktur den Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge an den Stellen, an denen die KontaktStruktur mit ihr in Kontakt steht, nur unwesentlich.
Die KontaktStruktur umfasst ein Metall oder mehrere Metalle oder eine Mischung von Metallen. Die Metalle sind zum Beispiel Titan, Platin und Gold.
Insbesondere wird im bestimmungsgemäßen Betrieb die Halbleiterschichtenfolge mittels der KontaktStruktur bestromt. Vorzugsweise findet dabei eine Stromeinprägung lediglich im Kernbereich der Halbleiterschichtenfolge statt. Dabei wird bevorzugt nur im Kernbereich der Halbleiterschichtenfolge elektromagnetische Strahlung erzeugt. Vorteilhafterweise kann damit ein Großteil der elektromagnetischen Strahlung, insbesondere sämtliche elektromagnetische Strahlung, die im bestimmungsgemäßen Betrieb in der aktiven Zone erzeugt wird, sich an einer Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich ausbreiten. Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist der Randbereich eine
Auskoppelstruktur auf. Die Halbleiterschichtenfolge weist im Bereich der Auskoppelstruktur einen höheren Brechungsindex auf als in dem die Auskoppelstruktur umgebenden Randbereich. Beispielsweise ist der Brechungsindex um lxlO-^ höher im Bereich der Auskoppelstruktur als im Randbereich der Halbleiterschichtenfolge . Insbesondere ist der Brechungsindex wenigstens 0,01 % und höchstens 1 % höher im Bereich der Auskoppelstruktur des Randbereichs. Beispielsweise hat der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Bereich der Auskoppelstruktur denselben Wert wie der Brechungsindex im Kernbereich .
Beispielsweise werden im Bereich der Auskoppelstruktur keine Fremdatome in die Halbleiterschichtenfolge eingebracht. Vorteilhafterweise ist für eine Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich im Bereich der Auskoppelstruktur die Bedingung für Totalreflexion nicht erfüllt und Strahlung, die sich innerhalb des Kernbereichs ausbreitet, kann die Halbleiterschichtenfolge im Bereich der Auskoppelstruktur verlassen. Weiter vorteilhaft muss dazu von der geometrischen Form der Halbleiterschichtenfolge im Bereich der Auskoppelstruktur nicht abgewichen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen ist eine Hauptabstrahlrichtung von im Betrieb in der aktiven Zone erzeugter Strahlung parallel zur Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge. Die
Hauptabstrahlrichtung ist insbesondere die Richtung, in der die im Betrieb von der Halbleiterlaserdiode abgegebene Strahlung ihr Intensitätsmaximum aufweist.
In dieser Ausführungsform weist die Halbleiterlaserdiode insbesondere die Form eines Kegelstumpfs auf. Die Seitenfläche schließt mit der Hauptfläche der
Halbleiterschichtenfolge beispielsweise einen Winkel von 45° ein. Im Bereich der Auskoppelstruktur trifft die im Betrieb im Kernbereich geführte Strahlung auf eine Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge, da im Bereich der Auskoppelstruktur die Strahlung in den Randbereich vordringt. An der Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge findet Totalreflexion der Strahlung statt. Die Strahlung wird bevorzugt in Richtung der Hauptfläche reflektiert. Strahlung tritt dann aus der Halbleiterlaserdiode durch eine Austrittsfläche aus, die insbesondere durch eine zur Hauptfläche parallele Oberfläche der Auskoppelstruktur gebildet ist. Die Austrittsfläche ist bevorzugt ein Teil der Hauptfläche.
Vorteilhafterweise sind physikalische Eigenschaften der Austrittsfläche auf verhältnismäßig einfache Weise definiert einstellbar. Damit ist gemeint, dass insbesondere eine Reflektivität der Austrittsfläche besonders gut vorgegeben werden kann und/oder nichtstrahlende Oberflächenzustände reduziert werden können. Nichtstrahlende Oberflächenzustände können unter anderem zu einer Zerstörung der Austrittsfläche führen, aus dem Englischen auch als „catastrophic optical mirror damage", kurz COMD, bekannt.
Eine Anpassung der physikalischen Eigenschaften der Austrittsfläche ist insbesondere auf verhältnismäßig einfache Weise möglich, da die Austrittsfläche lithographisch besser zugänglich ist als die Seitenfläche. Das heißt, eine Oberflächenbehandlung der Austrittsfläche ist einfacher als eine Oberflächenbehandlung der Seitenfläche.
Eine hier beschriebene Halbleiterlaserdiode, deren Hauptabstrahlrichtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge ist, ist für einen Einsatz in einem Display besonders gut geeignet. Grund dafür ist insbesondere die Möglichkeit, die Halbleiterlaserdiode besonders kompakt auszubilden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen steht die Halbleiterschichtenfolge im Bereich der Auskoppelstruktur in direktem Kontakt mit einem weiteren dielektrischen Element. Beispielsweise umfasst das weitere dielektrische Element dieselben Materialien wie das dielektrische Element, welches den Kernbereich stellenweise bedeckt. Insbesondere werden durch das weitere dielektrische Element mechanische Verspannungen in der
Halbleiterschichtenfolge im Bereich der Auskoppelstruktur eingebracht, wodurch sich der Brechungsindex in diesen Bereichen erhöht. Insbesondere wird der Brechungsindex im Bereich der Auskoppelstrukturen über den Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich erhöht. Vorteilhafterweise lässt sich durch eine derartige Erhöhung des Brechungsindex im Bereich der Auskoppelstruktur Strahlung, welche sich im Kernbereich der
Halbleiterschichtenfolge ausbreitet, besonders effizient aus der Halbleiterschichtenfolge auskoppeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der
Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen basiert die Halbleiterschichtenfolge auf einem AlnIn]__n-mGamAs Materialsystem, AlnIn]__n-mGamN-
Materialsystem oder AlnIn]__n-mGamP-Materialsystem, wobei 0 ^ n < 1, 0 ^ m < 1 und m + n < 1 ist. Ferner beträgt ein Brechungsindexunterschied zwischen der
Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich und im Randbereich mindestens 0,1 % und höchstens 1 %. Zum Beispiel beträgt der Brechungsindexunterschied mindestens 0,2 % und höchstens 0,5 %.Beispielsweise weist die Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich einen Brechungsindex von 3,5 auf und im Randbereich weist die Halbleiterschichtenfolge einen Brechungsindex von 3,499 auf. Der Brechungsindex wird insbesondere bei einer Wellenlänge bestimmt, die von der aktiven Zone im bestimmungsgemäßen erzeugt wird. Beispielsweise handelt es sich bei dem Brechungsindex um einen mittleren Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge. Bevorzugt handelt es sich bei dem Brechungsindex um den mittleren Brechungsindex in der zentralen Zone der Halbleiterschichtenfolge . Vorteilhafterweise ist ein solcher Brechungsindexunterschied dazu ausreichend, dass Totalreflexion an einer Grenzfläche zwischen dem Randbereich und dem Kernbereich auftritt. Somit lässt sich eine Ringmode an der Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich entlangführen.
Es wird des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode angegeben. Die hier beschriebene Halbleiterlaserdiode und deren Ausführungsform können insbesondere durch das Verfahren hergestellt werden. Das heißt, sämtliche für die Halbleiterlaserdiode offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone bereitgestellt . Beispielsweise wird die
Halbleiterschichtenfolge auf einem Substrat bereitgestellt. Beispielsweise handelt es sich bei dem Substrat um ein Aufwachssubstrat, auf dem die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch aufgewachsen wurde. Beispielsweise wurde die Halbleiterschichtenfolge auf dem Aufwachssubstrat epitaktisch abgeschieden, zum Beispiel mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie, kurz MOVPE, oder metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung, kurz MOCVD, oder mittels Molekularstrahlepitaxie, kurz MBE. Bevorzugt wurde die Halbleiterschichtenfolge einstückig aufgewachsen.
Alternativ kann die Halbleiterschichtenfolge von dem Aufwachssubstrat abgelöst worden sein und auf das Substrat übertragen worden sein. In diesem Fall unterscheidet sich das Substrat von dem Aufwachssubstrat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebener Ausführungsform wird die Halbleiterschichtenfolge geätzt, sodass die
Halbleiterschichtenfolge die Form eines allgemeinen Zylinders oder eines Kegelstumpfs mit einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge verlaufenden Hauptachse aufweist. Beispielsweise wird eine Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge, welche parallel zu der Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge verläuft und eine nach außen freiliegende Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge bildet, mit einer Maske teilweise bedeckt. Vorzugsweise weist die Maske in Draufsicht auf die Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge die Form einer Kreisscheibe oder eines regelmäßigen Vielecks, etwa eines Sechsecks oder eines Achtecks, auf. Nachfolgend wird die Halbleiterschichtenfolge geätzt, sodass nichtmaskierte Bereiche der Halbleiterschichtenfolge abgetragen werden. Beispielsweise wird eine trockenchemische Ätzmethode, wie zum Beispiel Plasmaätzen, oder eine nasschemische Ätzmethode, wie beispielsweise Ätzen mit KOH, verwendet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen werden ein Kernbereich und ein Randbereich der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet, wobei der Kernbereich in Richtungen senkrecht zur Hauptachse von dem Randbereich begrenzt wird. Dazu wird ein Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge bereichsweise verändert. Insbesondere wird der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Randbereich gezielt verringert oder der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich gezielt erhöht. Insbesondere weist die Halbleiterschichtenfolge im Randbereich einen geringeren Brechungsindex auf als im Kernbereich. Bevorzugt grenzen der Randbereich und der Kernbereich direkt aneinander, sodass der Randbereich und der Kernbereich eine Grenzfläche ausbilden.
Vorteilhafterweise lässt sich durch einstückiges Ausbilden der Halbleiterschichtenfolge, anschließendes Ätzen und nachfolgendes Ausbilden des Kernbereichs und des Randbereichs eine Halbleiterlaserdiode hersteilen, bei der eine Ringmode an einer Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich läuft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Randbereich durch Eindringen von Fremdatomen mittels Diffusion verringert. Ein ähnliches Verfahren ist zum Beispiel aus dem Englischen auch als „Quantum Well Intermixing" bekannt. Beispielsweise werden Aluminiumatome als Fremdatome im Randbereich der Halbleiterschichtenfolge eingebracht. Zum Beispiel wird die Halbleiterschichtenfolge in diesem Verfahrensschritt auf eine Temperatur zwischen einschließlich 800 °C und 1000 °C erhitzt, sodass die Fremdatome in die Halbleiterschichtenfolge eindiffundieren können. Bevorzugt findet die Diffusion der Fremdatome in die Halbleiterschichtenfolge unter einer Schutzgasatmosphäre statt. Insbesondere wird Argon als Schutzgas verwendet.
Weiter bevorzugt wird die Halbleiterschichtenfolge während des Eindiffundierens von Fremdatomen dielektrisch verkapselt. Beispielsweise wird dazu Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid auf die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht, sodass ein Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge vor den hohen Temperaturen während des Eindiffundierens der Fremdatome geschützt wird. Vorteilhafterweise lässt sich durch Einbringen von Fremdatomen der Brechungsindex im Randbereich besonders einfach verringern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich durch stellenweises Aufbringen eines dielektrischen Elements auf einer Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge erhöht. Beispielsweise wird das dielektrische Element abgeschieden. Insbesondere wird das dielektrische Element mittels Gasphasenabscheidung aufgebracht. Das dielektrische Element umfasst zum Beispiel Siliziumdioxid (Si02) und/oder Siliziumnitrid (SiN). Durch das Aufbringen des dielektrischen Elements werden mechanische Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge induziert. Infolge der mechanischen Verspannungen erhöht sich der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich. Vorteilhafterweise lässt sich somit durch Aufbringen des dielektrischen Elements der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich erhöhen, ohne dass das Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge äußeren Einflüssen ausgesetzt werden müsste, die das Material beschädigen könnten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird an einer von der Hauptfläche abgewandten Fläche des dielektrischen Elements eine KontaktStruktur angeordnet. Dabei wird die KontaktStruktur derart angeordnet, dass die KontaktStruktur das dielektrische Element stellenweise durchdringt und die KontaktStruktur stellenweise in direktem Kontakt zur Halbleiterschichtenfolge steht. Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird die Halbleiterschichtenfolge insbesondere durch die KontaktStruktur bestromt. Beispielsweise umfasst die KontaktStruktur ein Metall oder mehrere Metalle, wie zum Beispiel Titan, Platin und/oder Gold. Zum Beispiel wird die KontaktStruktur mittels Sputtern aufgebracht.
Insbesondere wird das dielektrische Element vor dem Aufbringen der KontaktStruktur strukturiert. Beispielsweise wird das dielektrische Element in einem lithografisch definierten Ätzprozess strukturiert. Bevorzugt wird durch das Aufbringen der KontaktStruktur auf der Halbleiterschichtenfolge der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge an diesen Stellen nur unwesentlich gegenüber dem Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge, die von dem dielektrischen Element bedeckt ist, verändert. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird im Randbereich eine Auskoppelstruktur ausgebildet. Dazu wird der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Bereich der Auskoppelstruktur gegenüber den die Auskoppelstruktur umgebenden Randbereich erhöht. Beispielsweise wird im Bereich der Auskoppelstruktur bewusst auf das Eindiffundieren von Fremdatomen verzichtet. Vorteilhafterweise ist im Bereich der Auskoppelstruktur ein Brechungsindexunterschied der Halbleiterschichtenfolge zwischen dem Randbereich und dem Kernbereich geringer als im übrigen Randbereich oder verschwindet vollständig, sodass in diesem Bereich Strahlung, die an der Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich entlang geführt wird, die Halbleiterschichtenfolge verlassen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird im Bereich der Auskoppelstruktur ein weiteres dielektrisches Element auf der Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Beispielsweise wird das weitere dielektrische Element mit denselben Methoden wie das dielektrische Element, das den Kernbereich bedeckt, aufgebracht und umfasst dieselben Materialien. Vorteilhafterweise lässt sich durch das Aufbringen eines weiteren dielektrischen Elements der Brechungsindex im Bereich der Auskoppelstruktur weiter erhöhen, sodass Strahlung, welche an der Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich entlang läuft, die Halbleiterschichtenfolge bevorzugt im Bereich der Auskoppelstruktur verlässt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird auf einer Außenfläche der Halbleiterschichtenfolge, welche quer, insbesondere senkrecht, zur Hauptfläche verläuft, eine Passivierungsschicht angeordnet. Bei der Außenfläche handelt es sich insbesondere um eine Mantelfläche der Halbleiterschichtenfolge . Beispielsweise wird die Passivierungsschicht auf der Außenfläche abgeschieden. Beispielsweise umfasst die Passivierungsschicht ein II-VI- Verbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel ZnSe. Bevorzugt ist die Passivierungsschicht für elektromagnetische Strahlung, die in der aktiven Zone im bestimmungsgemäßen Betrieb erzeugt wird, transparent. Vorteilhafterweise lässt sich durch Aufbringen einer Passivierungsschicht auf die Außenfläche der Halbleiterschichtenfolge die
Halbleiterschichtenfolge besonders gut gegen Umwelteinflüsse schützen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Halbleiterlaserdiode und des Verfahrens ergeben sich aus den folgenden im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen. Gleiche, gleichartige und 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 grundsätzlich als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
Figuren 1 bis 7 und 9 bis 12 Ausführungsbeispiele der Halbleiterlaserdiode in verschiedenen Ansichten, Figuren 8A bis 8D verschiedene Verfahrensstadien eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode gemäß eines Ausführungsbeispiels.
Die Figur 1 zeigt eine Halbleiterlaserdiode 1 gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels in Draufsicht auf eine Hauptfläche 10 der Halbleiterschichtenfolge 2. Die Hauptfläche 10 erstreckt sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge 2 und senkrecht zu einer Hauptachse 4 der Halbleiterschichtenfolge 2, die die Form eines geraden Kreiszylinders aufweist. Bei der Hauptachse 4 handelt es sich insbesondere um eine Rotationssymmetrieachse der Halbleiterschichtenfolge 2.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist um die Hauptachse 4 herum einen Kernbereich 5 und, gesehen von der Hauptachse 4, einen den Kernbereich 5 umgebenden Randbereich 6 auf. Der Randbereich 6 und der Kernbereich 5 grenzen direkt aneinander und weisen eine Grenzfläche zueinander auf. Der Kernbereich 5 ist vom Randbereich 6 in Richtung senkrecht zur Hauptachse 4 insbesondere vollständig umschlossen. In Draufsicht auf die Hauptfläche 10 weist der Kernbereich 5 die Form einer Kreisscheibe auf. In derselben Ansicht weist der Randbereich 6 die Form eines Kreisrings auf. Insbesondere weist der Kernbereich 5 und der Randbereich 6 jeweils eine Rotationssymmetrieachse auf, die mit der Hauptachse 4 der Halbleiterschichtenfolge 2 übereinstimmt.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist im Randbereich 6 einen geringeren Brechungsindex auf als im Kernbereich 5. Beispielsweise beträgt ein Brechungsindexunterschied der Halbleiterschichtenfolge 2 zwischen dem Randbereich 6 und dem Kernbereich 5 lxlO-^. Aufgrund des Brechungsindexunterschieds zwischen dem Kernbereich 5 und dem Randbereich 6 breitet sich elektromagnetische Strahlung 15, zur Illustration hier und im Folgenden als gestrichelte Linie angedeutet, die in der aktiven Zone 3 der Halbleiterschichtenfolge 2 erzeugt wird, an der Grenzfläche zwischen dem Kernbereich 5 und dem Randbereich 6 in der Halbleiterschichtenfolge 2 aus. Insbesondere wird aufgrund des Brechungsindexunterschieds die elektromagnetische Strahlung 15 an der Grenzfläche mittels Totalreflexion reflektiert. Vorzugsweise bildet sich damit innerhalb des Kernbereichs eine Ringmode der elektromagnetischen Strahlung 15 aus. Vorzugsweise weist der Kernbereich 5 in Draufsicht einen Durchmesser von mindestens 1 mpiund höchstens 200 mpi, insbesondere von mindestens 5 mpi und höchstens 50 mpi, auf, wodurch insbesondere die Bedingung für Totalreflexion erfüllt ist. Der Randbereich 6 weist eine Breite, gemessen senkrecht zur Hauptachse 4, auf, die zwischen einschließlich 100 nm und einschließlich 10 mpi liegt. Bevorzugt ist die Breite so groß, dass eine evaleszente Welle, welche sich bei der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem Kernbereich 5 und dem Randbereich 6 im Randbereich 6 ausbildet, nicht durch den Randbereich 6 transmittiert wird.
In der Figur 2 ist die Halbleiterlaserdiode der Figur 1 in einer schematischen Schnittansicht gezeigt. Eine Schnittebene verläuft dabei parallel zur Hauptachse 4 und beinhaltet die Hauptachse 4. Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist eine erste Deckschicht 16, eine zweite Deckschicht 17 und eine zentrale Zone 7 auf, wobei die zentrale Zone 7 zwischen der ersten 16 und der zweiten 17 Deckschicht angeordnet ist. Die zentrale Zone 7 weist einen ersten Wellenleiter 8, einen zweiten Wellenleiter 9 und eine aktive Zone 3, die zwischen dem ersten Wellenleiter 8 und dem zweiten Wellenleiter 9 angeordnet ist, auf. In der aktiven Zone 3 wird im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung 15 im sichtbaren Wellenlängenbereich oder im UV-Bereich oder bevorzugt im IR-Bereich erzeugt. Die Halbleiterschichtenfolge 2 basiert vorliegend auf einem
Arsenidverbindungshalbleitermaterial, wie etwa InAlGaAs. Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird in der aktiven Zone 3 beispielsweise elektromagnetische Strahlung 15 mit einer Peakwellenlänge von 910 nm erzeugt. Die Peakwellenlänge ist die Wellenlänge, bei der die in der aktiven Zone erzeugte elektromagnetische Strahlung ihr globales Intensitätsmaximum aufweist. Beispielsweise sind die erste Deckschicht 16 und die erste Wellenleiterschicht 8 n-dotiert. Die zweite Deckschicht 17 und die zweite Wellenleiterschicht 9 sind dann p-dotiert. Alternativ kann die Dotierung auch andersherum sein. Vorzugsweise weist die zentrale Zone 7 einen Brechungsindex auf, der von denen der ersten und zweiten Deckschicht 16, 17 verschieden ist. Vorzugsweise breitet sich elektromagnetische Strahlung 15, die in der aktiven Zone 3 erzeugt wird, lediglich in der zentralen Zone 7 aus.
Beispielsweise weist die Halbleiterschichtenfolge 2, insbesondere die zentrale Zone 7, im Kernbereich 5 einen Brechungsindex von 3,5 auf. Beispielsweise handelt es sich bei dem Brechungsindex um einen mittleren Brechungsindex. Vorzugsweise wird der Brechungsindex für Strahlung 15 angegeben, die in der aktiven Zone 3 erzeugt wird. Insbesondere wird der Brechungsindex mit Bezug auf die Peakwellenlänge angegeben. Im vorliegenden Fall also für elektromagnetische Strahlung 15 mit einer Wellenlänge von 910 nm. Die zentrale Zone 7 weist im Randbereich 6 einen Brechungsindex von 3,499 auf. Beispielsweise handelt es sich bei dem Brechungsindex um einen mittleren Brechungsindex.
Vorliegend sind in dem Randbereich 6 der zentralen Zone 7 Fremdatome eingebracht. Bei den Fremdatomen handelt es sich zum Beispiel um Elemente der II. Gruppe, bevorzugt um Aluminium. Durch die Fremdatome ändert sich insbesondere eine Bandlücke der zentralen Zone 7 im Randbereich 6.
Infolgedessen wird der Brechungsindex der zentralen Zone 7 im Randbereich 6 verringert. Eine Konzentration der Fremdatome im Randbereich 6 der zentralen Zone 7 beträgt bevorzugt zwischen 1x10-*-^ und 1x10^0 cm 3.
Die Halbleiterlaserdiode 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 zeigt im Wesentlichen dieselben Merkmale wie die Halbleiterlaserdiode 1 gemäß der Figur 1. Im Unterschied zu der Halbleiterlaserdiode der Figur 1 ist vorliegend der Kernbereich 5 in Draufsicht durch eine KontaktStruktur 12 bedeckt.
Die Halbleiterlaserdiode 1 der Figur 3 ist in der Figur 4 in einer schematischen Schnittansicht gezeigt. Eine Schnittebene verläuft dabei durch die Hauptachse 4. Auf einer Hauptfläche 10 der Halbleiterschichtenfolge 2 ist ein dielektrisches Element 11 angeordnet. Das dielektrische Element 11 bedeckt stellenweise den Kernbereich 5 der Halbleiterschichtenfolge 2. Insbesondere bedeckt das dielektrische Element 11 einen Großteil der Hauptfläche 10 im Kernbereich 5. An einer Fläche des dielektrischen Elements 11, die von der Hauptfläche 10 abgewandt ist, ist eine KontaktStruktur 12 angeordnet. Das dielektrische Element 11 wurde stellenweise entfernt, sodass das dielektrische Element 11 vorliegend zweiteilig ausgestaltet ist. Ein erster Teil des optischen Elements 11 weist in Draufsicht die Form einer Kreisscheibe auf. Durch diesen ersten Teil verläuft insbesondere die Hauptachse 4.
Der zweite Teil des dielektrischen Elements 11 weist die Draufsicht die Form eines Kreisrings auf, der in allen Richtungen senkrecht zur Hauptachse 4 den ersten Teil des dielektrischen Elements 11 umgibt. In Bereichen, die zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil des dielektrischen Elements 11 ausgebildet sind, durchdringt die KontaktStruktur 12 das dielektrische Element 11. In diesen Bereichen ist die KontaktStruktur in direktem Kontakt mit der Halbleiterschichtenfolge 2. Vorzugsweise steht die KontaktStruktur 12 mit der Halbleiterschichtenfolge 2 ausschließlich im Kernbereich 5 in Kontakt.
Beispielsweise wurde das dielektrische Element 11 auf der Hauptfläche 10 abgeschieden, insbesondere mittels Gasphasenabscheidung, und anschließend in einem lithografisch definierten Ätzprozess strukturiert. Nachfolgend wurde beispielsweise die KontaktStruktur 12 auf dem dielektrischen Element 11 aufgesputtert.
Das dielektrische Element 11 umfasst zum Beispiel ein Oxid, wie Siliziumdioxid (Si02), oder ein Nitrid, wie Siliziumnitrid (SiN). Die KontaktStruktur 12 ist beispielsweise aus einem Metall, wie Gold, Platin oder Titan, gebildet oder aus einer Mischung dieser Metalle gebildet.
Durch das dielektrische Element 11 werden mechanische Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge 2 induziert. Bevorzugt setzen sich die mechanischen Verspannungen über die gesamte, parallel zur Hauptachse 4 gemessene Dicke der Halbleiterschichtenfolge 2 fort. Aufgrund der mechanischen Verspannungen ist der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 2 im Kernbereich 5 gegenüber dem Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 2 im Randbereich 6 erhöht. Zum Beispiel beträgt ein Brechungsindexunterschied der Halbleiterschichtenfolge 2 zwischen dem Kernbereich 5 und dem Randbereich 6 mindestens lxlO-^.
Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird die Halbleiterschichtenfolge 2 insbesondere durch die KontaktStruktur 12 bestromt. Vorzugsweise befindet sich die KontaktStruktur 12 in direktem Kontakt mit einer Halbleiterschicht der Halbleiterschichtenfolge, die p-dotiert ist. Bei der KontaktStruktur 12 handelt es sich also bevorzugt um eine p-KontaktStruktur.
Die Halbleiterlaserdiode 1 der Figur 5 zeigt im Wesentlichen dieselben Merkmale wie die Figur 1 mit dem Unterschied, dass eine KontaktStruktur 12 an der Hauptfläche 10 angeordnet ist. Bei der KontaktStruktur 12 handelt es sich vorzugsweise um eine p-KontaktStruktur 12, die eine Rotationssymmetrieachse aufweist, welche mit der Hauptachse 4 der Halbleiterschichtenfolge 2 übereinstimmt. Die p- KontaktStruktur 12 befindet sich lediglich in direktem Kontakt mit der Halbleiterschichtenfolge 2 im Kernbereich 5. Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird die
Halbleiterschichtenfolge 2 über die KontaktStruktur 12 bestromt. Aufgrund des direkten Kontakts zwischen der Halbleiterschichtenfolge 2 und der KontaktStruktur ausschließlich im Kernbereich 5 wird vorzugsweise elektromagnetische Strahlung ausschließlich im Kernbereich 5 erzeugt.
Die Halbleiterlaserdiode 1 der Figur 6 zeigt im Wesentlichen alle Merkmale der Halbleiterlaserdiode von Figur 5 mit dem Unterschied, dass eine Auskoppelstruktur 13 im Randbereich 6 ausgebildet ist. Beispielsweise wurde im Bereich der Auskoppelstruktur 13 auf ein Eindiffundieren von Fremdatomen verzichtet. Insbesondere weist die Halbleiterschichtenfolge 2 im Bereich der Auskoppelstruktur 13 denselben Brechungsindex auf wie im Kernbereich 5. Da im Bereich der Auskoppelstruktur 13 somit kein Brechungsindexunterschied zwischen dem Kernbereich 5 und dem Randbereich 6 vorliegt, ist hier auch die Bedingung für Totalreflexion nicht erfüllt. Elektromagnetische Strahlung 15 kann also die Halbleiterlaserdiode 1 im Bereich der Auskoppelstruktur 13 senkrecht zur Hauptachse 4 verlassen.
Die Halbleiterlaserdiode 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 7 weist im Wesentlichen dieselben Merkmale auf wie die Halbleiterlaserdiode der Figur 6 mit dem Unterschied, dass im Bereich der Auskoppelstruktur 13 ein weiteres dielektrisches Element 14 auf der Hauptfläche 10 angeordnet ist. Das weitere dielektrische Element 14 induziert mechanische Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge 2 im Bereich der Auskoppelstruktur 13, wodurch der Brechungsindex in diesem Bereich gegenüber dem umgebenden Randbereich 6 erhöht wird. Beispielsweise ist im Bereich der Auskoppelstruktur 13 der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 2 über den Wert der Halbleiterschichtenfolge 2 im Kernbereich 5 erhöht. Deshalb wird die Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung 15 aus dem Kernbereich 5 im Bereich der Auskoppelstruktur 13 verstärkt.
Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren 8A bis 8D wird zunächst eine Halbleiterschichtenfolge 2 auf einem Substrat 18 bereitgestellt (Figur 8A). Mit diesem Verfahren wird insbesondere eine Halbleiterlaserdiode 1 gemäß einem der oben erläuterten Ausführungsbeispiele hergestellt. Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist eine erste Deckschicht 16, eine zweite Deckschicht 17 und eine zentrale Zone 7 zwischen diesen beiden Schichten auf. Die zentrale Zone 7 umfasst eine erste Wellenleiterschicht 8, eine zweite Wellenleiterschicht 9 und eine dazwischen angeordnete aktive Zone 3. Das Substrat 18 ist beispielsweise das
Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge 2. Insbesondere wurde die Halbleiterschichtenfolge 2 einstückig auf dem Substrat 18 gewachsen.
In einem nächsten Schritt wird eine Maske 19 auf einer Fläche der Halbleiterschichtenfolge 2 aufgebracht, die dem Substrat
18 gegenüberliegt (Figur 8B). Beispielsweise wird die Maske
19 auf der Halbleiterschichtenfolge 2 abgeschieden. Bei der Maske 19 handelt es sich zum Beispiel um eine Hartmaske.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden unmaskierte Bereiche der Halbleiterschichtenfolge 2 geätzt (Figur 8C). Dabei wird Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge 2 in Bereichen entfernt, die nicht von der Hartmaske 19 bedeckt sind. Nach dem Ätzen weist die Halbleiterschichtenfolge 2 eine Zylinderform auf. Insbesondere weist die Halbleiterschichtenfolge 2 eine Hauptachse 4 auf. Die Hauptachse 4 verläuft senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge 2, insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsebene der aktiven Zone 3.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein Kernbereich 5 und ein Randbereich 6 ausgebildet (Figur 8D). Zuvor wurde die Hartmaske 19 entfernt. Der Randbereich 6 wird beispielsweise durch Einbringen von Fremdatomen in die
Halbleiterschichtenfolge 2 ausgebildet. Beispielsweise wird ein Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 2 im Randbereich verringert. Die Fremdatome werden zum Beispiel mittels Diffusion in die Halbleiterschichtenfolge 2 eingebracht. Beispielsweise wird Aluminium in die Halbleiterschichtenfolge 2 eindiffundiert, die auf einem III- V-Verbindungshalbleitermaterial basiert. Durch die Fremdatome ändert sich insbesondere eine Bandlücke der
Halbleiterschichtenfolge 2 im Randbereich 6. Infolgedessen wird der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 2 im Randbereich 6 verringert. Insbesondere wird durch Ausbilden des Kernbereichs 5 und des Randbereichs 6 eine fertige Halbleiterlaseriode 1 erzeugt.
Im Unterschied zu der Halbleiterlaserdiode 1 der Figur 1 weist die Halbleiterlaserdiode 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 9 eine zusätzliche Passivierungsschicht 20 auf. Die Passivierungsschicht 20 ist an einer Außenfläche der Halbleiterschichtenfolge 2, insbesondere des Randbereichs 6, angeordnet. Die Außenfläche erstreckt sich quer, insbesondere senkrecht, zur Hauptfläche 10 der Halbleiterschichtenfolge 2. Die Außenfläche bildet eine Mantelfläche der zylinderförmigen
Halbleiterschichtenfolge 2. Die Passivierungsschicht 20 bedeckt die Außenfläche vollständig. Die Passivierungsschicht 20 ist beispielsweise mit einem II-VI-
Verbindungshalbleitermaterial gebildet, etwa mit ZnSe. Die Passivierungsschicht 20 wurde zum Beispiel nach dem Ausbilden des Randbereichs 6 und Kernbereichs 5 aufgebracht. Beispielsweise wurde die Passivierungsschicht 20 aufgedampft oder auf der Außenfläche abgeschieden.
Das Ausführungsbeispiel der Halbleiterlaserdiode 1 gemäß Figur 10 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 darin, dass die Halbleiterschichtenfolge 2 die Form eines Prismas, insbesondere eines geraden Prismas aufweist.
In der vorliegenden Draufsicht auf die Hauptfläche 10 ist zu erkennen, dass das Prisma eine Grundfläche in der Form eines regelmäßigen Sechsecks (Hexagon) aufweist. Beispielsweise basiert die Halbleiterschichtenfolge 2 auf GaN. In diesem Fall lässt sich vorteilhafterweise besonders gut eine Halbleiterschichtenfolge 2 mit der vorliegenden geometrischen Form hersteilen.
Die Halbleiterlaserdiode 1 der Figur 11 weist im Wesentlichen dieselben Merkmale auf wie die Halbleiterlaserdiode 1 der Figur 10 mit dem Unterschied, dass die Grundfläche des Prismas die Form eines regelmäßigen Achtecks (Oktagon) aufweist.
Das Ausführungsbeispiel der Halbleiterlaserdiode 1 der Figuren 12A und 12B unterscheidet sich von dem
Ausführungsbeispiel der Figur 1 unter anderem darin, dass die Halbleiterschichtenfolge 2 die Form eines Kegelstumpfs aufweist. Figur 12A zeigt eine Draufsicht auf die Hauptfläche 10 der Halbleiterschichtenfolge 2. Figur 12B zeigt einen Schnitt durch die Halbleiterschichtenfolge 2 gemäß Figur 12A senkrecht zur Zeichenebene entlang der dort eingezeichneten Linie A-A.
Die Halbleiterlaserdiode 1 gemäß dieses Ausführungsbeispiels umfasst eine Auskoppelstruktur 13, die im Wesentlichen der im Zusammenhang mit der Figur 6 erläuterten Auskoppelstruktur 13 entspricht. Insbesondere tritt im Bereich der
Auskoppelstruktur 13 keine Totalreflexion der Strahlung 15 an der Grenzfläche zwischen dem Randbereich 6 und dem
Kernbereich 5 auf. Somit kann im Bereich der Auskoppelstruktur 13 Strahlung in den Randbereich 6 eindringen.
Seitenflächen 22 der Halbleiterschichtenfolge 2 schließen mit der Hauptfläche 10 einen Winkel von beispielsweise 45° ein (siehe Figur 12B). Im Bereich der Auskoppelstruktur 13 tritt an der Seitenfläche 22 der Halbleiterschichtenfolge 2 im Betrieb Totalreflexion auf. Aufgrund der geneigten Seitenfläche 22 wird im Betrieb die Strahlung 15 in Richtung der Hauptfläche 10 der Halbleiterschichtenfolge 2 reflektiert. Im Betrieb tritt die reflektierte Strahlung 15 durch eine Austrittsfläche 23 aus der
Halbleiterschichtenfolge 2 aus. Die Austrittsfläche 23 ist ein Teil der Hauptfläche 10 (siehe Figur 12A).
Eine Hauptabstrahlrichtung 21 der von der
Halbleiterlaserdiode 1 im Betrieb abgegebenen Strahlung ist parallel zur Hauptachse 4.
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 102020 200 468.4, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Bezugszeichenliste
1 Halbleiterlaserdiode
2 Halbleiterschichtenfolge
3 aktive Zone
4 Hauptachse
5 Kernbereich
6 Randbereich
7 zentrale Zone
8 erste Wellenleiterschicht
9 zweite Wellenleiterschicht
10 Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge
11 dielektrisches Element
12 KontaktStruktur
13 Auskoppelstruktur
14 weiteres dielektrisches Element
15 Strahlung
16 erste Deckschicht
17 zweite Deckschicht
18 Substrat
19 Maske
20 Passivierungsschicht
21 Hauptabstrahlrichtung
22 Seitenfläche der Halbleiterschichtenfolge
23 Austrittsfläche
A-A Schnittlinie

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterlaserdiode (1) umfassend eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer aktiven Zone (3), wobei
- die Halbleiterschichtenfolge (2) eine Form eines allgemeinen Zylinders oder eines Kegelstumpfs aufweist,
- eine Hauptachse (4) der Halbleiterschichtenfolge (2) senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge (2) ist,
- die Halbleiterschichtenfolge (2) einen Kernbereich (5) und einen direkt an den Kernbereich (5) grenzenden Randbereich (6) aufweist,
- die Hauptachse (4) durch den Kernbereich (5) verläuft,
- der Randbereich (6) den Kernbereich (5) in Richtungen senkrecht zur Hauptachse (4) begrenzt,
- die Halbleiterschichtenfolge (2) im Kernbereich (5) einen größeren Brechungsindex aufweist als im Randbereich (6).
2. Halbleiterlaserdiode (1) nach Anspruch 1, bei der der Kernbereich (5) und der Randbereich (6) auf dem gleichen Halbleitermaterialsystem basieren.
3. Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Halbleileiterschichtenfolge (2) die Form eines geraden Kreiszylinders aufweist.
4. Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
3, bei der die Halbleiterschichtenfolge (2) die Form eines Prismas aufweist.
5. Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im Randbereich (6) Fremdatome in die Halbleiterschichtenfolge (2) eingebracht sind.
6. Halbleiterlaserdiode (1) nach Anspruch 5, bei der die Halbleiterschichtenfolge (2) eine zentrale Zone (7) aufweist, der zumindest teilweise innerhalb des Randbereichs (6) liegt, wobei
- die zentrale Zone (7) die aktive Zone (3), eine erste Wellenleiterschicht (8) und eine zweite Wellenleiterschicht (9) umfasst,
- die aktive Zone (3) zwischen der ersten und der zweiten Wellenleiterschicht (8, 9) angeordnet ist, und
- in Bereiche der zentralen Zone (7), die innerhalb des Randbereichs (6) liegen, Fremdatome eingebracht sind.
7. Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der auf einer Hauptfläche (10) der Halbleiterschichtenfolge (2) einem dielektrischen Element (11) angeordnet ist, wobei
- das dielektrische Element (11) den Kernbereich (5) stellenweise bedeckt, und
- der Randbereich (6) frei von dem dielektrische Element (11) ist .
8. Halbleiterlaserdiode (1) nach Anspruch 7, bei der an einer von der Hauptfläche (10) abgewandten Fläche des dielektrischen Elements (11) eine KontaktStruktur (12) angeordnet ist, wobei - die KontaktStruktur (12) das dielektrische Element (11) stellenweise durchdringt und
- die KontaktStruktur (12) stellenweise in direktem Kontakt zu der Halbleiterschichtenfolge (2) steht.
9. Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der
- der Randbereich (6) eine Auskoppelstruktur (13) umfasst, wobei
- die Halbleiterschichtenfolge (2) im Bereich der Auskoppelstruktur (13) einen höheren Brechungsindex aufweist als in dem die Auskoppelstruktur (13) umgebenden Randbereich (6).
10. Halbleiterlaserdiode (1) nach Anspruch 9, bei der eine Hauptabstrahlrichtung (21) von im Betrieb erzeugter Strahlung parallel zur Hauptachse (4) ist.
11. Halbleiterlaserdiode (1) nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Halbleiterschichtenfolge (2) im Bereich der Auskoppelstruktur (13) in direktem Kontakt mit einem weiteren dielektrischen Element (14) steht.
12. Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der
- die Halbleiterschichtenfolge (2) auf einem AlnIn]__n_ mGamAs-Materialsystem, einem AlnIn]__n-mGamN- Materialsystem oder einem AlnIn]__n-mGamP-Materialsystem basiert, wobei 0 ^ n < 1, 0 ^ m < 1 und m + n < 1 ist,
- ein Brechungsindexunterschied zwischen der Halbleiterschichtenfolge (2) im Kernbereich (5) und im Randbereich (6) mindestens 0,1 % und höchstens 1 % beträgt.
13. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterlaserdiode (1) umfassend die folgenden Schritte:
- Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer aktiven Zone (3);
- Ätzen der Halbleiterschichtenfolge (2), sodass die Halbleiterschichtenfolge (2) eine Form eines allgemeinen Zylinders oder eines Kegelstumpfs mit einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der
Halbleiterschichtenfolge (2) verlaufenden Hauptachse (4) aufweist;
- Ausbilden eines Kernbereichs (5) und eines Randbereichs (6), indem ein Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) bereichsweise verändert wird, wobei der Kernbereich (5) in Richtungen senkrecht zur Hauptachse (4) von dem Randbereich (6) begrenzt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) im Randbereich (6) durch Einbringen von Fremdatomen mittels Diffusion verringert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) im Kernbereich (5) durch stellenweises Aufbringen eines dielektrischen Elements (11) auf eine Hauptfläche (10) der Halbleiterschichtenfolge (2) erhöht wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem an einer von der Hauptfläche (10) abgewandten Fläche des dielektrischen Elements (11) eine KontaktStruktur (12) derart angeordnet wird, dass - die KontaktStruktur (12) das dielektrische Element (11) stellenweise durchdringt und
- die KontaktStruktur (12) stellenweise in direktem Kontakt zu der Halbleiterschichtenfolge (2) steht.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem im Randbereich (6) eine Auskoppelstruktur (13) ausgebildet wird, indem der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) im Bereich der Auskoppelstruktur (13) gegenüber dem die Auskoppelstruktur (13) umgebenden Randbereich (6) erhöht wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem im Bereich der Auskoppelstruktur (13) ein weiteres dielektrisches Element (14) auf der Halbleiterschichtenfolge (2) angeordnet wird.
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