WO2022053406A1 - Optoelektronisches halbleiterbauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterbauelements - Google Patents

Optoelektronisches halbleiterbauelement und verfahren zur herstellung eines optoelektronischen halbleiterbauelements Download PDF

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layer
region
semiconductor component
optoelectronic semiconductor
layers
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PCT/EP2021/074389
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Alexander Behres
Christian Lauer
Martin Hetzl
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031—Edge-emitting structures
    • H01S5/4043—Edge-emitting structures with vertically stacked active layers

Definitions

  • an optoelectronic semiconductor component and a method for its production are specified.
  • the optoelectronic semiconductor component is an edge-emitting laser component.
  • the problem is known that, due to very high optical power densities, severe heating and degradation can occur on a mirror facet provided for coupling out radiation. Above a certain performance threshold, COMD (catastrophic optical mirror damage) occurs, which leads to a sudden failure of the component.
  • COMD catastrophic optical mirror damage
  • the problem can be countered by reducing the current flow to the mirror facet.
  • previous approaches to a solution are limited in that the current flow to the mirror facet can only be reduced on a side of an active zone of the laser diode that faces away from the substrate. For example, a current can be narrowed laterally by pulling back a contact layer facing away from the substrate from the mirror facet.
  • one problem to be solved is to specify a robust optoelectronic semiconductor component that is relatively easy to produce.
  • Another problem to be solved is to specify a relatively simple method for producing a robust optoelectronic semiconductor component.
  • an optoelectronic semiconductor component comprises at least one layer stack, which has an active zone for generating electromagnetic radiation and at least one aluminum-containing current confinement layer, which comprises a first region and a second region, with the second region having a lower electrical conductivity as the first area .
  • the layer stack has a side surface which laterally delimits the layer stack and on which the second region is arranged, the second region being an oxidized region.
  • the current flow to the side surface can be reduced and the current can be laterally restricted by means of the current constriction layer.
  • the second area advantageously reduces the current flow in the area of the side surface and thus increases the load limit of the semiconductor component.
  • the “oxidized area” refers in particular to an area produced by oxidation of an originally non-oxidized aluminum-containing current confinement layer or starting layer. The oxidation can still take place after the layer stack has been produced.
  • the starting layer is preferably an AlGalnAsP layer with a high aluminum content, which has an aluminum content of at least 90%. Preferred values are 90%, 95%, 98%, 99% and 100%.
  • the starting layer is made of AlxGaylnl-x-yAsP , where 0 , 9 ⁇ x ⁇ 1 and x + y ⁇ 1 .
  • the indium and/or phosphorus content in the layer can vary, for example to optimize band profiles and stresses.
  • the aluminum content can vary within the specified range of values in the layer, for example due to alloy ramps or a stack with different compositions. In this way, for example, an electrical series resistance and optical mode guidance can be optimized.
  • the first area is a non-oxidized area of the starting layer, so that its material composition corresponds in particular to the starting layer.
  • the first region preferably contains or consists of AlxGaylnl-x-yAsP, where 0, 9 ⁇ x ⁇ 1 and x+y ⁇ 1 applies.
  • the second area has in particular a higher oxygen content than the first area.
  • lateral refers in particular to a direction running parallel to a main plane of extension of the layer stack.
  • the current constriction layer is arranged essentially parallel to the main plane of extension is arranged on a side of the second region facing away from the side surface.
  • the second region has a lateral extent of between 0.1 ⁇ m and 100 ⁇ m inclusive. Preferred values are enclosed 0 , 1 pm, 1 pm, 5 pm, 10 pm, 15 pm, 20 pm, 25 pm, 50 pm and 100 pm .
  • the layer stack has at least one n-conducting semiconductor layer and at least one p-conducting semiconductor layer, the active zone being arranged between the at least one n-conducting semiconductor layer and the at least one p-conducting semiconductor layer.
  • the direction in which the n-type semiconductor layer, the active zone and the p-type semiconductor layer follow one another is referred to below as the “vertical direction”, which runs perpendicular to the lateral direction.
  • the at least one n-conducting semiconductor layer, the active zone and the at least one p-conducting semiconductor layer are in particular layers grown epitaxially on a substrate, with the substrate remaining in the finished semiconductor component or being removed and replaced by another carrier.
  • the current confinement layer is preferably also an epitaxially grown layer.
  • the current confinement layer can advantageously be integrated into the layer stack on a side of the active zone that faces the substrate and/or that faces away from the substrate. The current confinement layer can therefore be located at different vertical positions in the layer stack. For example, the side of the active zone of the layer stack facing the substrate is the n-side and the side of the active zone of the layer stack facing away from the substrate is the p-side of the layer stack.
  • the side of the active zone facing the substrate can be the p-side and the side facing away from the substrate Act side of the active zone to the n-side of the layer stack.
  • the active zone contains, for example, a sequence of individual layers, by means of which a quantum well structure, in particular a single quantum well structure (SQW, single quantum well) or multiple quantum well structure (MQW, multiple quantum well), is formed.
  • a quantum well structure in particular a single quantum well structure (SQW, single quantum well) or multiple quantum well structure (MQW, multiple quantum well) is formed.
  • Materials based on phosphide and/or arsenide compound semiconductors are preferably suitable for the semiconductor layers of the layer stack.
  • "Based on phosphide or arsenide compound semiconductors” means in the present context that the semiconductor layers contain Al n Ga m Inin nm P or Al n Ga m Inin nm As, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and n+m ⁇ 1 applies. This material does not necessarily have to have a mathematically exact composition according to the above formula.
  • the above formula only includes the essential components of the crystal lattice (Al , Ga, In, P or As ), even if these are partially replaced by small amounts other substances fe can be replaced.
  • the optoelectronic semiconductor component is an edge-emitting laser component, and the side surface is provided for coupling out the electromagnetic radiation.
  • the electromagnetic radiation has a coherent component.
  • the semiconductor component preferably the layer stack, contains a resonator for this purpose, with the side surface or laser facet forming part of the resonator.
  • the coherent portion of the electromagnetic radiation is laser radiation, for example infrared or visible laser radiation.
  • the coherent portion can be, for example, laser radiation in the fundamental mode of the resonator.
  • the at least one layer stack has a first main surface and a second main surface, which are each arranged transversely to the side surface and in particular parallel to the main extension plane and vertically delimit the layer stack, with the current confinement layer being closer to the active zone than is arranged on the first and / or second main surface.
  • the current constriction layer is arranged so close to the active zone that the laterally constricted current can hardly expand in an intermediate region between the current constriction layer and the active zone.
  • the current constriction layer is advantageously arranged at a distance from the active zone, so that the current constriction layer causes as few additional stresses as possible in the active zone.
  • the current confinement layer may have a vertical extent of between 2 nm and 200 nm inclusive exhibit . Preferred values are 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 35 nm, 50 nm, 100 nm, 200 nm.
  • the layer stack has at least two aluminum-containing current-constriction layers that differ from one another in terms of their material composition and/or vertical extent and/or lateral extent of the second regions.
  • the different material compositions of the current confinement layers can be chosen such that the starting layer of one current confinement layer undergoes faster and thus laterally deeper penetrating oxidation than the starting layer of the other current confinement layer.
  • the aluminum content of the current confinement layers differs with different material compositions.
  • the different vertical extents or thicknesses of the starting layers are selected such that oxidation occurs more quickly and thus laterally more deeply penetrating in one starting layer than in the other starting layer.
  • the thicker current confinement layer has a greater lateral extension of the second region than the thinner current confinement layer.
  • the current confinement layers are preferably arranged at different vertical positions of the layer stack.
  • the current confinement layers can be arranged on different sides of the active region.
  • at least two current-constriction layers with different lateral extents of the second regions directly adjoin one another, whereby a desired current profile can be set.
  • the optoelectronic semiconductor component has at least two layer stacks of the type mentioned above, which are arranged one above the other, with a tunnel junction being arranged between the layer stacks.
  • the tunnel junction includes, in particular, two highly doped layers of different conductivity types (n-type or p-type) and is used to electrically connect the layer stack.
  • the layer stacks are in particular electrically connected in series by the tunnel junction.
  • the tunnel junction forms particularly low potential barriers, which facilitates the tunneling of charge carriers between the active zones arranged one above the other.
  • the charge carrier pairs required for the current flow between the two layer stacks are generated by the tunneling.
  • the active zones of the layer stack emit in particular radiation in the same wavelength range, so that the optical output power of the semiconductor component can be increased by the plurality of layer stacks.
  • the current constriction layer or several current constriction layers are arranged in the area of at least one of the following elements of the optoelectronic semiconductor component: p-contact layer, p-cladding layer, p-waveguide, active zone, n-contact layer, n-cladding layer, n-waveguide , buffer layer , nucleation layer , tunnel junction .
  • the current confinement layer with Advantage on the one hand arranged so close to the active zone that in an intermediate region between the current constriction layer and the active zone there can hardly be a widening of the laterally restricted current, and on the other hand arranged so far away from the active zone that there as few as possible caused by the current confinement layer, additional stresses occur.
  • the method described below is suitable for producing an optoelectronic semiconductor component or a plurality of optoelectronic semiconductor components of the type mentioned above.
  • Features described in connection with the semiconductor component can therefore also be used for the method and vice versa.
  • a current constriction layer with a first area and a second area, which is arranged on the side surface and has a lower electrical conductivity than the first area, characterized in that the at least one aluminum-containing starting layer is oxidized in the second area.
  • the oxidation process already takes place at the wafer level after exposing the side surfaces of the Layer stacks or after facet breaking take place, with the wafer having a large number of layer stacks which are arranged in the composite.
  • the second region is produced by means of lateral oxidation of the starting layer, starting from the side surface.
  • the lateral penetration depth or lateral extent of the second region is between 0.1 ⁇ m and 100 ⁇ m inclusive.
  • the penetration depth can be regulated by the vertical extent of the current confinement layer.
  • a thicker starting layer exhibits faster, deeper oxidation than a thinner starting layer.
  • the penetration depth of the oxidation can be regulated by the aluminum content of the starting layer.
  • higher aluminum content results in faster, deeper oxidation.
  • the penetration depth of the oxidation can also be regulated by the duration of the oxidation process. In particular, a longer oxidation process leads to a deeper oxidation.
  • the optoelectronic semiconductor component is particularly suitable for semiconductor laser applications in the automotive and multimedia sectors.
  • Figures 1A and IC each show a schematic cross-sectional view of a right edge region of an optoelectronic semiconductor component according to a first and second exemplary embodiment, the current constriction layer being arranged in the region of a waveguide, and Figures 1A and 1B show a method for producing an optoelectronic semiconductor component according to the first exemplary embodiment ,
  • FIGS. 2A and 2B each show a schematic cross-sectional view of a right-hand edge region of an optoelectronic semiconductor component according to a third and fourth exemplary embodiment, the current-constriction layer being arranged in the region of a cladding layer,
  • FIGS. 3A and 3B each show a schematic cross-sectional view of a right-hand edge region of an optoelectronic semiconductor component according to a fifth and sixth exemplary embodiment, the current constriction layer being arranged in the region of the active zone,
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of a right-hand edge region of an optoelectronic semiconductor component according to a seventh exemplary embodiment, the current-constriction layer being arranged in the region of a contact layer
  • FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of a right-hand edge area of an optoelectronic semiconductor component according to an eighth exemplary embodiment, the current-constriction layer being arranged in the area of a buffer layer
  • FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of a right edge region of an optoelectronic semiconductor component according to a ninth exemplary embodiment, which has current confinement layers in the region of the waveguides,
  • FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view of a right edge region of an optoelectronic semiconductor component according to a tenth exemplary embodiment, which has current confinement layers in the region of the cladding layers,
  • FIG. 8 shows a schematic cross-sectional view of a right edge region of an optoelectronic semiconductor component according to an eleventh exemplary embodiment, which has current confinement layers in the region of the active zone,
  • FIG. 9 shows a schematic cross-sectional view of a right edge region of an optoelectronic semiconductor component according to a twelfth exemplary embodiment, which has current confinement layers in the region of the contact layer and the buffer layer,
  • FIG. 10 shows a schematic cross-sectional view of a right edge region of an optoelectronic semiconductor component according to a thirteenth exemplary embodiment, which has current confinement layers with second regions of different vertical and lateral extent,
  • FIG. 11 shows a schematic cross-sectional view of a right-hand edge region of an optoelectronic semiconductor component according to a fourteenth exemplary embodiment, which has current-constriction layers of different material compositions and oxidation depths,
  • FIG. 12 shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component according to a fifteenth exemplary embodiment, which has adjacent current-constriction layers with second regions of different lateral extension,
  • FIG. 13 shows a schematic cross-sectional view of an optoelectronic semiconductor component according to a sixteenth exemplary embodiment, which has current confinement layers in the region of a tunnel junction.
  • FIG. 1A shows a first exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor component 1 in a cross-sectional view, with a cross-sectional plane being perpendicular is arranged to a side surface 2A and a first main surface 2B and second main surface 2C of a layer stack 2 of the semiconductor component 1 .
  • the optoelectronic semiconductor component 1 is an edge-emitting laser component in which electromagnetic radiation is coupled out of the optoelectronic semiconductor component 1 in a lateral direction L through the side surface 2A.
  • the optoelectronic semiconductor component 1 comprises the layer stack 2 and a substrate 3 on which the layer stack 2 is arranged.
  • the substrate 3 can be a growth substrate on which the layer stack 2 has grown epitaxially, or it can be a replacement substrate that replaces the original growth substrate.
  • the layer stack 2 comprises a plurality of n-side, at least partially n-conducting layers 13, 11, 12 and a plurality of p-side, at least partially p-conducting layers 9, 8, 7, which follow one another in the vertical direction V. Furthermore, the layer stack 2 has an active zone 4 which is arranged between the n-side layers 11 , 12 , 13 and the p-side layers 7 , 8 , 9 .
  • layer 7 is a p-contact layer
  • layer 8 is a p-cladding layer
  • layer 9 is a p-waveguide
  • layer 12 is an n-waveguide
  • layer 11 is a p-waveguide n-cladding layer and the layer 13 by a buffer layer.
  • the layer stack 2 can have further layers (not shown) between the layers 7 , 8 , 9 , 11 , 12 , 13 mentioned.
  • the active zone 4 can contain a sequence of individual layers, by means of which a quantum well structure, in particular a single quantum well structure (SQW, single quantum well) or multiple quantum well structure (MQW, multiple quantum well), is formed.
  • a quantum well structure in particular a single quantum well structure (SQW, single quantum well) or multiple quantum well structure (MQW, multiple quantum well
  • both the p-waveguide 9 and the n-waveguide 12 can each have a sequence of individual layers, preferably with an alternating refractive index.
  • the layer stack 2 or the semiconductor layers 4 , 7 , 8 , 9 , 11 , 12 , 13 contained therein materials based on phosphide and/or arsenide compound semiconductors, which are described in more detail above, are preferably considered.
  • the layer stack 2 includes an aluminum-containing current confinement layer 5, which includes a first area 5A and a second area 5B, the second area 5B having a lower electrical conductivity than the first area 5A and being an oxidized area.
  • the oxidized area 5B is produced by oxidation 0 from an originally non-oxidized aluminum-containing current confinement layer or starting layer 50 (cf. FIG. 1B).
  • the starting layer 50 is advantageously an AlGalnAsP layer with a high aluminum content, which has an aluminum content of at least 90%. Preferred values are 90%, 95%, 98%, 99% and 100%.
  • the starting layer is formed from AlxGaylnl-x-yAsP, where 0, 9 ⁇ x ⁇ 1 and x+y ⁇ 1 apply.
  • the first region 5A is a non-oxidized region of the starting layer 50, so that its material composition corresponds in particular to the starting layer. Accordingly, the first region 5A preferably contains or consists of AlxGaylnl-x-yAsP, where 0, 9 ⁇ x ⁇ 1 and x+y ⁇ 1 applies.
  • the second, oxidized region 5B is arranged on the side surface 2A and can therefore reduce a current flow directed towards the side surface 2A. This protects the side surface 2A, which is in particular a mirror facet, from excessive heating and degradation and allows the optical output power to be increased, since this is often limited by the degradation of the mirror facet.
  • the current constriction layer 5 is arranged in the p-type waveguide 9 .
  • the current constriction layer 5 is thus arranged so close to the active zone 4 that in an intermediate region between the current constriction layer 5 and the active zone 4 the laterally constricted current can hardly expand.
  • the second region 5B has a lateral extension b between 0.1 pm and 100 pm inclusive, preferred values being 0.1 pm, 1 pm, 5 pm, 10 pm, 15 pm, 20 pm, 25 pm, 50 pm and 100 pm lie .
  • the current constriction layer 5 can have a vertical extension d between 2 nm and 200 nm inclusive, preferred values being 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 35 nm, 50 nm, 100 nm, 200 nm.
  • a method for producing the optoelectronic semiconductor component 1 is explained in more detail with reference to FIGS. 1A and 1B.
  • a layer stack 2 is provided, which has an aluminum-containing starting layer 50 and a side surface 2A, which laterally delimits the layer stack 2 .
  • a current constriction layer 5 having a first region 5A and a second region 5B located on the side surface 2A and having lower electrical conductivity than the first region 5A is formed by oxidizing the starting aluminum-containing layer 50 in the second region 5B.
  • the oxidized region 5B is produced by lateral oxidation 0 of the starting layer 50 starting from the side face 2A.
  • FIG. 1C shows a second exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor component 1 . While the current confinement layer 5 is arranged on the p-side in the first exemplary embodiment, it is located on the n-side of the layer stack 2 in the n-waveguide 12 in the second exemplary embodiment. In comparison to previous structures, in which the current to the mirror facet can only be narrowed on a substrate-facing side of the active zone of the laser diode, in the second exemplary embodiment, the current is narrowed on the n-side facing the substrate 3 .
  • FIG. 2A shows a third exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor component 1 .
  • the current constriction layer 5 is arranged in the p-type waveguide 9 in the first exemplary embodiment, it is located in the p-cladding layer 8 in the third exemplary embodiment.
  • the current confinement layer 5 is thus arranged further away from the active zone 4 , so that stresses additionally caused by the current confinement layer 5 can be reduced.
  • FIG. 2B shows a fourth exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor component 1, in which the current confinement layer 5 is arranged in the n-cladding layer 11 and thus on the side of the layer stack 2 facing the substrate.
  • Figures 3A and 3B show a fifth and sixth exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor component 1, with the current confinement layer 5 in the region of the active zone 4 on the substrate-facing side (cf. Figure 3A) or the substrate-facing side (cf. Figure 3B) of the active zone 4 is arranged.
  • the charge carrier density in the active zone 4 on the side surface 2A can be reduced in a targeted manner.
  • FIG. 4 shows a seventh exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor component 1 .
  • the current constriction layer 5 is in the region of the p-contact layer 7 .
  • the current constriction layer 5 is thus arranged even further away from the active region 4 than in the third exemplary embodiment, so that the current constriction layer 5 causes additional Tensions can be further reduced. In order to still have sufficient current narrowing in the area of the active zone
  • the second region 5B can be formed, for example, with a greater lateral extension b than in the first exemplary embodiment.
  • FIG. 5 shows an eighth exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor component 1, in which the current-constriction layer 5 is arranged in the region of the buffer layer 13 and thus on the side of the layer stack 2 facing the substrate.
  • the current confinement layer 5 is further spaced from the active region 4 than in the fourth embodiment, so that through the current confinement layer
  • the layer stacks 2 of the semiconductor components 1 each have a plurality of current constriction layers 5, which are arranged on the p side and the n side, so that current constriction can take place on both sides.
  • the current constriction layers 5 are arranged in the region of the active zone 4 .
  • This exemplary embodiment also has the advantages mentioned in connection with the fifth and sixth exemplary embodiments.
  • FIGS. 6 to 9 While the current constriction layers 5 in the exemplary embodiments shown in FIGS. 6 to 9 are each configured identically, FIGS Distinguish areas 5B from each other. In the thirteenth exemplary embodiment shown in FIG. 10, this can be achieved by different vertical extensions d of the associated starting layers, with the thicker starting layer oxidizing more quickly and thus laterally penetrating more deeply than the thinner starting layer.
  • the current constriction layers 5 and the Starting layers which are used to produce the current constriction layers 5, in their material composition.
  • the material compositions are selected in such a way that oxidation occurs more quickly and thus penetrates laterally more deeply in the case of one starting layer than in the case of the other starting layer.
  • the starting layer in which faster oxidation occurs, has a higher aluminum content.
  • FIG. 12 shows a fifteenth exemplary embodiment of a semiconductor component 1, in which the layer stack 2 has two adjacent current confinement layers 5, the second regions 5B of which have different lateral extents b.
  • a desired current profile can be specifically set.
  • the current constriction layer 5, which is arranged further away from the active zone 4 has a second region 5B with a greater lateral extension b.
  • the current confinement layer 5 which is closer to the active zone 4 , advantageously has a higher doping than the other current confinement layer 5 .
  • a current overshoot at the transition between the two second regions 5B of the current constriction layers 5 can be mitigated.
  • FIG. 13 shows a sixteenth exemplary embodiment of a semiconductor component 1, which has two layer stacks 2 of the type mentioned above, which are arranged one above the other and are in particular monolithically integrated, with a tunnel junction 6 being arranged between the layer stacks 2.
  • the tunnel junction 6 includes, in particular, two highly doped layers of different conductivity types (n- or p-conducting) and serves to electrically connect the layer stacks 2 .
  • the semiconductor component 1 has two current confinement layers 5 which are arranged on opposite sides of the tunnel junction 6 .
  • the semiconductor component 1 has a current constriction layer 5 arranged in the cladding layer 8 .
  • a higher optical output power can be achieved by means of the layer stack 2 arranged one on top of the other, with the side surface 2A advantageously being protected from excessive heating and degradation by the current constriction layers 5 .
  • the semiconductor components 1 described in connection with FIGS. 1C to 13 have in particular a structure of the layer stack which corresponds to the first exemplary embodiment.

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Abstract

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) angegeben umfassend zumindest einen Schichtenstapel (2) aufweisend - eine aktive Zone (4) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, - zumindest eine aluminiumhaltige Stromeinengungsschicht (5), die einen ersten Bereich (5A) und einen zweiten Bereich (5B) umfasst, wobei der zweite Bereich (5B) eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der erste Bereich (5A), und - eine Seitenfläche (2A), die den Schichtenstapel (2) lateral begrenzt und an der der zweite Bereich (5B) angeordnet ist, wobei der zweite Bereich (5B) ein oxidierter Bereich ist. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) angegeben.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHES HALBLEITERBAUELEMENT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES OPTOELEKTRONISCHEN HALBLEITERBAUELEMENTS
Es werden ein optoelektronisches Halbleiterbauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung angegeben . Insbesondere handelt es sich bei dem optoelektronischen Halbleiterbauelement um ein kantenemittierendes Laserbauelement .
Bei kantenemittierenden Laserdioden ist das Problem bekannt , dass es an einer zur Strahlungsauskopplung vorgesehenen Spiegel facette aufgrund sehr hoher optischer Leistungsdichten zu starker Erwärmung und Degradation kommen kann . Ab einer gewissen Leistungsschwelle tritt ein COMD ( Catastrophic Optical Mirror Damage ) auf , der zu einem plötzlichen Aus fall des Bauelements führt . Dem Problem kann dadurch begegnet werden, dass ein zur Spiegel facette erfolgender Stromfluss vermindert wird . Bisherige Lösungsansätze sind allerdings dahingehend limitiert , dass der Stromfluss zur Spiegel facette nur auf einer substratabgewandten Seite einer aktiven Zone der Laserdiode reduziert werden kann . Beispielsweise kann durch Zurückziehen einer substratabgewandten Kontaktschicht von der Spiegel facette ein Strom lateral eingeengt werden .
Eine zu lösende Aufgabe besteht vorliegend darin, ein robustes optoelektronisches Halbleiterbauelement anzugeben, das relativ einfach herstellbar ist . Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein relativ einfaches Verfahren zur Herstellung eines robusten optoelektronischen Halbleiterbauelements anzugeben . Diese Aufgaben werden unter anderem durch ein optoelektronisches Halbleiterbauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form eines optoelektronischen Halbleiterbauelements umfasst dieses zumindest einen Schichtenstapel , der eine aktive Zone zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung sowie zumindest eine aluminiumhaltige Stromeinengungsschicht aufweist , die einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich umfasst , wobei der zweite Bereich eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der erste Bereich . Weiterhin weist der Schichtenstapel eine Seitenfläche auf , die den Schichtenstapel lateral begrenzt und an der der zweite Bereich angeordnet ist , wobei der zweite Bereich ein oxidierter Bereich ist . Mittels der Stromeinengungsschicht kann der Stromfluss zur Seitenfläche vermindert und der Strom lateral eingeengt werden . Vorteilhafterweise vermindert der zweite Bereich den Stromfluss im Bereich der Seitenfläche und erhöht damit die Belastungsgrenze des Halbleiterbauelements .
Vorliegend wird mit dem „oxidierten Bereich" insbesondere ein durch Oxidation erzeugter Bereich einer ursprünglich nichtoxidierten aluminiumhaltigen Stromeinengungsschicht beziehungsweise Ausgangsschicht bezeichnet . Die Oxidation kann noch nach der Herstellung des Schichtenstapels erfolgen .
Vorzugsweise handelt es sich bei der Ausgangsschicht um eine hoch-aluminiumhaltige AlGalnAsP-Schicht , die einen Aluminiumgehalt von mindestens 90% aufweist . Bevorzugte Werte sind dabei 90% , 95% , 98 % , 99% und 100% . In anderen Worten ist die Ausgangsschicht aus AlxGaylnl-x-yAsP gebildet , wobei 0 , 9 < x < 1 und x + y < 1 gilt . Dabei können der Indium- und/oder Phosphorgehalt in der Schicht variieren, beispielsweise zur Optimierung von Bandverläufen und Verspannungen . Ferner kann der Aluminiumgehalt innerhalb des angegebenen Wertebereichs in der Schicht variieren, beispielsweise durch Legierungsrampen oder einen Stapel mit verschiedenen Zusammensetzungen . Dadurch können zum Beispiel ein elektrischer Serienwiderstand und eine optische Modenführung optimiert werden .
Weiter bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Bereich um einen nicht-oxidierten Bereich der Ausgangsschicht , so dass dieser in seiner Material zusammensetzung insbesondere der Ausgangsschicht entspricht . Dementsprechend enthält beziehungsweise besteht der erste Bereich vorzugsweise aus AlxGaylnl-x-yAsP, wobei 0 , 9 < x < 1 und x + y < 1 gilt . Weiterhin weist der zweite Bereich insbesondere einen höheren Sauerstof f gehalt auf als der erste Bereich .
Vorliegend bezeichnet „lateral" insbesondere eine parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Schichtenstapels verlaufende Richtung . Insbesondere ist die Stromeinengungsschicht im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene angeordnet . Weiterhin sind der erste und zweite Bereich vorzugsweise nebeneinander, das heißt lateral größtenteils nicht überlappend angeordnet , wobei der erste Bereich auf einer der Seitenfläche abgewandten Seite des zweiten Bereichs angeordnet ist .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist der zweite Bereich eine laterale Ausdehnung zwischen einschließlich 0 , 1 pm und einschließlich 100 pm auf . Bevorzugte Werte liegen bei 0 , 1 pm, 1 pm, 5 pm, 10 pm, 15 pm, 20 pm, 25 pm, 50 pm und 100 pm .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist der Schichtenstapel zumindest eine n-leitende Halbleiterschicht und zumindest eine p-leitende Halbleiterschicht auf , wobei die aktive Zone zwischen der zumindest einen n-leitenden Halbleiterschicht und der zumindest einen p-leitenden Halbleiterschicht angeordnet ist . Die Richtung, in der die n- leitende Halbleiterschicht , die aktive Zone und die p- leitende Halbleiterschicht auf einanderf olgen, wird im Folgenden als „vertikale Richtung" bezeichnet , die senkrecht zu der lateralen Richtung verläuft .
Die zumindest eine n-leitende Halbleiterschicht , die aktive Zone und die zumindest eine p-leitende Halbleiterschicht sind insbesondere auf einem Substrat epitaktisch auf gewachsene Schichten, wobei das Substrat im fertigen Halbleiterbauelement verbleiben oder aber entfernt und durch einen anderen Träger ersetzt sein kann . Vorzugsweise handelt es sich auch bei der Stromeinengungsschicht um eine epitaktisch auf gewachsene Schicht . Die Stromeinengungsschicht kann mit Vorteil auf einer substrat zugewandten und/oder substratabgewandten Seite der aktiven Zone in den Schichtenstapel integriert sein . Die Stromeinengungsschicht kann sich also im Schichtenstapel an verschiedenen vertikalen Positionen befinden . Beispielsweise handelt es sich bei der substrat zugewandten Seite der aktiven Zone des Schichtenstapels um die n- Seite und bei der substratabgewandten Seite der aktiven Zone des Schichtenstapels um die p- Seite des Schichtenstapels .
Alternativ kann es sich bei der substrat zugewandten Seite der aktiven Zone um die p- Seite und bei der substratabgewandten Seite der aktiven Zone um die n- Seite des Schichtenstapels handeln .
Die aktive Zone enthält beispielsweise eine Folge von Einzelschichten, mittels welchen eine Quantentopfstruktur, insbesondere eine Einfach-Quantentopfstruktur ( SQW, single quantum well ) oder Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW, multiple quantum well ) , ausgebildet ist .
Für die Halbleiterschichten des Schichtenstapels kommen vorzugsweise auf Phosphid- und/oder Arsenid- Verbindungshalbleitern basierende Materialien in Betracht . „Auf Phosphid- oder Arsenid-Verbindungshalbleitern basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichten AlnGamIni-n-mP oder AlnGamIni-n-mAs enthalten, wobei 0 < n < 1 , 0 < m < 1 und n+m < 1 gilt . Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen . Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstof fe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen physikalischen Eigenschaften des AlnGamIni-n-mP- oder AlnGamIni- n-mAs-Materials im Wesentlichen nicht ändern . Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel j edoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (Al , Ga, In, P bzw . As ) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stof fe ersetzt sein können .
Je nach Position der Stromeinengungsschicht , das heißt ob sie im n-leitenden Bereich oder p-leitenden Bereich des Schichtenstapels angeordnet ist , kann sie n- oder p-dotiert sein . Geeignete Dotierstof fe sind beispielsweise Te , Si , Ge , S , C, Be , Mg, Zn und Se . Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist das optoelektronische Halbleiterbauelement ein kantenemittierendes Laserbauelement , und die Seitenfläche ist zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung vorgesehen . Dabei weist die elektromagnetische Strahlung einen kohärenten Anteil auf . Beispielsweise enthält das Halbleiterbauelement , vorzugsweise der Schichtenstapel , hierfür einen Resonator, wobei die Seitenfläche beziehungsweise Laserfacette einen Teil des Resonators bildet . Insbesondere handelt es sich bei dem kohärenten Anteil der elektromagnetischen Strahlung um Laserstrahlung, zum Beispiel um infrarote oder sichtbare Laserstrahlung . Bei dem kohärenten Anteil kann es sich beispielsweise um Laserstrahlung in der Grundmode des Resonators handeln .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist der zumindest eine Schichtenstapel eine erste Hauptfläche und eine zweite Hauptfläche auf , die j eweils quer zu der Seitenfläche und insbesondere parallel zu der Haupterstreckungsebene angeordnet sind und den Schichtenstapel vertikal begrenzen, wobei die Stromeinengungsschicht näher an der aktiven Zone als an der ersten und/oder zweiten Hauptfläche angeordnet ist . Insbesondere ist die Stromeinengungsschicht so nah an der aktiven Zone angeordnet , dass in einem Zwischenbereich zwischen der Stromeinengungsschicht und der aktiven Zone kaum eine Aufweitung des lateral eingeengten Stroms stattfinden kann . Darüber hinaus ist die Stromeinengungsschicht mit Vorteil in einem Abstand zur aktiven Zone angeordnet , so dass durch die Stromeinengungsschicht möglichst wenig zusätzliche Verspannungen in der aktiven Zone hervorgerufen werden .
Die Stromeinengungsschicht kann eine vertikale Ausdehnung zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 200 nm aufweisen . Bevorzugte Werte liegen bei 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 35 nm, 50 nm, 100 nm, 200 nm .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist der Schichtenstapel zumindest zwei aluminiumhaltige Stromeinengungsschichten auf , die sich in ihrer Material zusammensetzung und/oder vertikalen Ausdehnung und/oder lateralen Ausdehnung der zweiten Bereiche voneinander unterscheiden . Beispielsweise können die unterschiedlichen Material zusammensetzungen der Stromeinengungsschichten so gewählt sein, dass bei der Ausgangsschicht der einen Stromeinengungsschicht eine schnellere und damit lateral tiefer eindringende Oxidation auftritt als bei der Ausgangsschicht der anderen Stromeinengungsschicht . Insbesondere unterscheidet sich der Aluminiumgehalt der Stromeinengungsschichten mit unterschiedlichen Material zusammensetzungen . Ferner ist es möglich, dass die unterschiedlichen vertikalen Ausdehnungen oder Dicken der Ausgangsschichten so gewählt sind, dass bei der einen Ausgangsschicht eine schnellere und damit lateral tiefer eindringende Oxidation auftritt als bei der anderen Ausgangsschicht . Insbesondere weist die dickere Stromeinengungsschicht eine größere laterale Ausdehnung des zweiten Bereichs auf als die dünnere Stromeinengungsschicht .
Weiterhin sind die Stromeinengungsschichten vorzugsweise an verschiedenen vertikalen Positionen des Schichtenstapels angeordnet . Beispielsweise können die Stromeinengungsschichten auf verschiedenen Seiten der aktiven Zone angeordnet sein . Weiterhin ist es möglich, dass zumindest zwei Stromeinengungsschichten mit unterschiedlicher lateraler Ausdehnung der zweiten Bereiche direkt aneinandergrenzen, wodurch ein gewünschtes Stromprofil einstellbar ist .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist das optoelektronische Halbleiterbauelement zumindest zwei Schichtenstapel der oben genannten Art auf , die übereinander angeordnet sind, wobei zwischen den Schichtenstapeln ein Tunnelübergang angeordnet ist . Der Tunnelübergang umfasst insbesondere zwei hochdotierte Schichten unterschiedlichen Leitungstyps (n- bzw . p-leitend) und dient zur elektrischen Verbindung der Schichtenstapel . Die Schichtenstapel werden durch den Tunnelübergang insbesondere elektrisch in Reihe geschaltet . Der Tunnelübergang bildet besonders geringe Potentialbarrieren, wodurch das Tunneln von Ladungsträgern zwischen den übereinander angeordneten aktiven Zonen erleichtert wird . Durch das Tunneln werden für den Stromfluß zwischen den beiden Schichtstapeln notwendige Ladungsträgerpaare erzeugt .
Weiterhin emittieren die aktiven Zonen der Schichtenstapel insbesondere Strahlung in demselben Wellenlängenbereich, so dass durch die Mehrzahl von Schichtenstapeln die optische Ausgangsleistung des Halbleiterbauelements erhöht werden kann .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form sind die Stromeinengungsschicht oder mehrere Stromeinengungsschichten im Bereich zumindest eines der folgenden Elemente des optoelektronischen Halbleiterbauelements angeordnet : p- Kontaktschicht , p-Mantelschicht , p-Wellenleiter , aktive Zone , n-Kontaktschicht , n-Mantelschicht , n-Wellenleiter , Puf ferschicht , Nukleationsschicht , Tunnelübergang . Wie bereits oben erwähnt , wird die Stromeinengungsschicht mit Vorteil zum einen so nah an der aktiven Zone angeordnet , dass in einem Zwischenbereich zwischen der Stromeinengungsschicht und der aktiven Zone kaum eine Aufweitung des lateral eingeengten Stromes stattfinden kann, und zum anderen so weit entfernt von der aktiven Zone angeordnet , dass dort möglichst wenige , durch die Stromeinengungsschicht verursachte , zusätzliche Verspannungen auftreten .
Das nachfolgend beschriebene Verfahren ist für die Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements oder einer Mehrzahl von optoelektronischen Halbleiterbauelementen der oben genannten Art geeignet . Im Zusammenhang mit dem Halbleiterbauelement beschriebene Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt .
Gemäß zumindest einer Aus führungs form eines Verfahrens zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements der oben genannten Art weist dieses die folgenden, nacheinander ausgeführten Schritte auf :
- Bereitstellen zumindest eines Schichtenstapels , der zumindest eine aluminiumhaltige Ausgangsschicht und eine Seitenfläche aufweist , die den Schichtenstapel lateral begrenzt ,
- Ausbilden einer Stromeinengungsschicht mit einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich, der an der Seitenfläche angeordnet ist und eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der erste Bereich, dadurch, dass die zumindest eine aluminiumhaltige Ausgangsschicht in dem zweiten Bereich oxidiert wird .
Vorzugsweise findet der Oxidationsprozess bereits auf Wafer- Level-Ebene nach einem Freilegen der Seitenflächen der Schichtenstapel beziehungsweise nach Facettenbrechen statt , wobei der Wafer eine Viel zahl von Schichtenstapeln aufweist , die im Verbund angeordnet sind .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der zweite Bereich mittels lateraler Oxidation der Ausgangsschicht ausgehend von der Seitenfläche erzeugt . Die laterale Eindringtiefe beziehungsweise laterale Ausdehnung des zweiten Bereichs beträgt dabei zwischen einschließlich 0 , 1 pm und einschließlich 100 pm .
Es bestehen verschiedene Möglichkeiten, die Eindringtiefe der Oxidation zu regulieren . Beispielsweise kann die Eindringtiefe durch die vertikale Ausdehnung der Stromeinengungsschicht reguliert werden . Insbesondere weist eine dickere Ausgangsschicht eine schnellere , tiefere Oxidation auf als eine dünnere Ausgangsschicht .
Weiterhin kann die Eindringtiefe der Oxidation durch den Aluminiumgehalt der Ausgangsschicht reguliert werden . Insbesondere führt ein höherer Aluminiumgehalt zu einer schnelleren, tieferen Oxidation .
Auch kann die Eindringtiefe der Oxidation durch eine Dauer des Oxidationsvorgangs reguliert wird . Insbesondere führt ein längerer Oxidationsvorgang zu einer tieferen Oxidation .
Das optoelektronische Halbleiterbauelement eignet sich besonders für Halbleiterlaser-Applikationen im Automotive- und Multimedia-Bereich .
Weitere Vorteile , vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Aus führungsbeispielen .
Es zeigen :
Figuren 1A und IC j eweils eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem ersten und zweiten Aus führungsbeispiel , wobei die Stromeinengungsschicht im Bereich eines Wellenleiters angeordnet ist , und Figuren 1A und 1B ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß dem ersten Aus führungsbeispiel ,
Figuren 2A und 2B j eweils eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem dritten und vierten Aus führungsbeispiel , wobei die Stromeinengungsschicht im Bereich einer Mantelschicht angeordnet ist ,
Figuren 3A und 3B j eweils eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem fünften und sechsten Aus führungsbeispiel , wobei die Stromeinengungsschicht im Bereich der aktiven Zone angeordnet ist ,
Figur 4 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem siebten Aus führungsbeispiel , wobei die Stromeinengungsschicht im Bereich einer Kontaktschicht angeordnet ist , Figur 5 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem achten Aus führungsbeispiel , wobei die Stromeinengungsschicht im Bereich einer Puf ferschicht angeordnet ist ,
Figur 6 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem neunten Aus führungsbeispiel , das Stromeinengungsschichten im Bereich der Wellenleiter aufweist ,
Figur 7 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem zehnten Aus führungsbeispiel , das Stromeinengungsschichten im Bereich der Mantelschichten aufweist ,
Figur 8 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem el ften Aus führungsbeispiel , das Stromeinengungsschichten im Bereich der aktiven Zone aufweist ,
Figur 9 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem zwöl ften Aus führungsbeispiel , das Stromeinengungsschichten im Bereich der Kontaktschicht und der Puf ferschicht aufweist ,
Figur 10 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem drei zehnten Aus führungsbeispiel , das Stromeinengungsschichten mit zweiten Bereichen verschiedener vertikaler und lateraler Ausdehnung aufweist ,
Figur 11 eine schematische Querschnittsansicht eines rechten Randbereichs eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem vierzehnten Aus führungsbeispiel , das Stromeinengungsschichten verschiedener Material zusammensetzungen und Oxidationstief en aufweist ,
Figur 12 eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem fünf zehnten Aus führungsbeispiel , das aneinander grenzende Stromeinengungsschichten mit zweiten Bereichen verschiedener lateraler Ausdehnung aufweist ,
Figur 13 eine schematische Querschnittsansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß einem sechzehnten Aus führungsbeispiel , das Stromeinengungsschichten im Bereich eines Tunnelübergangs aufweist .
In den Aus führungsbeispielen und Figuren können gleiche , gleichartige oder gleich wirkende Elemente j eweils mit denselben Bezugs zeichen versehen sein . Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht notwendigerweise als maßstabsgerecht anzusehen; vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein .
Figur 1A zeigt ein erstes Aus führungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 in einer Querschnittsansicht , wobei eine Querschnittsebene senkrecht zu einer Seitenfläche 2A und einer ersten Hauptfläche 2B sowie zweiten Hauptfläche 2C eines Schichtenstapels 2 des Halbleiterbauelements 1 angeordnet ist . Insbesondere handelt es sich bei dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 1 um ein kantenemittierendes Laserbauelement , bei dem elektromagnetische Strahlung durch die Seitenfläche 2A hindurch in einer lateralen Richtung L aus dem optoelektronischen Halbleiterbauelement 1 ausgekoppelt wird .
Das optoelektronische Halbleiterbauelement 1 umfasst den Schichtenstapel 2 und ein Substrat 3 , auf dem der Schichtenstapel 2 angeordnet ist . Bei dem Substrat 3 kann es sich um ein Aufwachssubstrat handeln, auf dem der Schichtenstapel 2 epitaktisch aufgewachsen ist oder aber um ein Ersatzsubstrat , welches das ursprüngliche Aufwachssubstrat ersetzt .
Der Schichtenstapel 2 umfasst mehrere n-seitige , zumindest teilweise n-leitende Schichten 13 , 11 , 12 und mehrere p- seitige , zumindest teilweise p-leitende Schichten 9 , 8 , 7 , die in vertikaler Richtung V auf einanderf olgen . Ferner weist der Schichtenstapel 2 eine aktive Zone 4 auf , die zwischen den n-seitigen Schichten 11 , 12 , 13 und den p-seitigen Schichten 7 , 8 , 9 angeordnet ist . Insbesondere handelt es sich bei der Schicht 7 um eine p-Kontaktschicht , bei der Schicht 8 um eine p-Mantelschicht , bei der Schicht 9 um einen p-Wellenleiter , bei der Schicht 12 um einen n-Wellenleiter , bei der Schicht 11 um eine n-Mantelschicht und bei der Schicht 13 um eine Puf ferschicht . Der Schichtenstapel 2 kann zwischen den genannten Schichten 7 , 8 , 9 , 11 , 12 , 13 weitere (nicht dargestellte ) Schichten aufweisen . Weiterhin kann die aktive Zone 4 eine Folge von Einzelschichten enthalten, mittels welchen eine Quantentopfstruktur, insbesondere eine Einfach-Quantentopfstruktur ( SQW, single quantum well ) oder Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW, multiple quantum well ) , ausgebildet ist .
Ferner können sowohl der p-Wellenleiter 9 als auch der n- Wellenleiter 12 j eweils eine Folge von Einzelschichten vorzugsweise mit alternierendem Brechungsindex aufweisen .
Für den Schichtenstapel 2 beziehungsweise die darin enthaltenen Halbleiterschichten 4 , 7 , 8 , 9 , 11 , 12 , 13 kommen vorzugsweise auf Phosphid- und/oder Arsenid- Verbindungshalbleitern basierende Materialien, die weiter oben näher beschrieben sind, in Betracht .
Weiterhin umfasst der Schichtenstapel 2 eine aluminiumhaltige Stromeinengungsschicht 5 , die einen ersten Bereich 5A und einen zweiten Bereich 5B umfasst , wobei der zweite Bereich 5B eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der erste Bereich 5A und ein oxidierter Bereich ist .
Der oxidierte Bereich 5B wird durch Oxidation 0 aus einer ursprünglich nicht-oxidierten aluminiumhaltigen Stromeinengungsschicht beziehungsweise Ausgangsschicht 50 (vgl . Figur 1B ) erzeugt . Durch die Oxidation 0 der
Ausgangsschicht 50 , das heißt durch Erhöhen des
Sauerstof fgehalts , im zweiten Bereich 5B wird die elektrische Leitfähigkeit im zweiten Bereich 5B verringert . Mittels der Stromeinengungsschicht 5 kann damit ein Strom im Halbleiterbauelement 1 lateral auf den ersten Bereich 5A eingeengt werden . Bei der Ausgangsschicht 50 handelt es sich mit Vorteil um eine hoch-aluminiumhaltige AlGalnAsP-Schicht , die einen Aluminiumgehalt von mindestens 90% aufweist . Bevorzugte Werte sind dabei 90% , 95% , 98 % , 99% und 100% . In anderen Worten ist die Ausgangsschicht aus AlxGaylnl-x-yAsP gebildet , wobei 0 , 9 < x < 1 und x + y < 1 gilt . Ferner handelt es sich bei dem ersten Bereich 5A um einen nicht-oxidierten Bereich der Ausgangsschicht 50 , so dass dieser in seiner Material zusammensetzung insbesondere der Ausgangsschicht entspricht . Dementsprechend enthält beziehungsweise besteht der erste Bereich 5A vorzugsweise aus AlxGaylnl-x-yAsP, wobei 0 , 9 < x < 1 und x + y < 1 gilt .
Der zweite , oxidierte Bereich 5B ist an der Seitenfläche 2A angeordnet und kann damit einen zur Seitenfläche 2A gerichteten Stromfluss verringern . Dies schützt die Seitenfläche 2A, bei der es sich insbesondere um eine Spiegel facette handelt , vor zu starker Erwärmung und Degradation und ermöglicht eine Erhöhung der optischen Ausgangsleistung, da diese oft durch die Degradation der Spiegel facette limitiert ist .
Bei dem ersten Aus führungsbeispiel ist die Stromeinengungsschicht 5 im p-Wellenleiter 9 angeordnet . Die Stromeinengungsschicht 5 ist damit so nah an der aktiven Zone 4 angeordnet , dass in einem Zwischenbereich zwischen der Stromeinengungsschicht 5 und der aktiven Zone 4 kaum eine Aufweitung des lateral eingeengten Stroms stattfinden kann .
Der zweite Bereich 5B weist eine laterale Ausdehnung b zwischen einschließlich 0 , 1 pm und einschließlich 100 pm auf , wobei bevorzugte Werte bei 0 , 1 pm, 1 pm, 5 pm, 10 pm, 15 pm, 20 pm, 25 pm, 50 pm und 100 pm liegen . Weiterhin kann die Stromeinengungsschicht 5 eine vertikale Ausdehnung d zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 200 nm aufweisen, wobei bevorzugte Werte bei 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 35 nm, 50 nm, 100 nm, 200 nm liegen .
Anhand der Figuren 1A und 1B wird ein Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 näher erläutert . Zunächst wird ein Schichtenstapel 2 bereitgestellt , der eine aluminiumhaltige Ausgangsschicht 50 und eine Seitenfläche 2A aufweist , die den Schichtenstapel 2 lateral begrenzt . Dann wird eine Stromeinengungsschicht 5 mit einem ersten Bereich 5A und einem zweiten Bereich 5B, der an der Seitenfläche 2A angeordnet ist und eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der erste Bereich 5A, ausgebildet , indem die aluminiumhaltige Ausgangsschicht 50 in dem zweiten Bereich 5B oxidiert wird .
Insbesondere wird der oxidierte Bereich 5B mittels lateraler Oxidation 0 der Ausgangsschicht 50 ausgehend von der Seitenfläche 2A erzeugt .
Figur IC zeigt ein zweites Aus führungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 . Während die Stromeinengungsschicht 5 beim ersten Aus führungsbeispiel p- seitig angeordnet ist , befindet sich diese beim zweiten Aus führungsbeispiel auf der n-Seite des Schichtenstapels 2 im n-Wellenleiter 12 . Im Vergleich zu bisherigen Strukturen, in denen der Strom zur Spiegel facette nur auf einer substratabgewandten Seite der aktiven Zone der Laserdiode eingeengt werden kann, erfolgt bei dem zweiten Aus führungsbeispiel die Stromeinengung auf der zum Substrat 3 gewandten n-Seite . Figur 2A zeigt ein drittes Aus führungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 . Während die Stromeinengungsschicht 5 beim ersten Aus führungsbeispiel im p-Wellenleiter 9 angeordnet ist , befindet sich diese beim dritten Aus führungsbeispiel in der p-Mantelschicht 8 . Damit ist die Stromeinengungsschicht 5 weiter entfernt von der aktiven Zone 4 angeordnet , so dass durch die Stromeinengungsschicht 5 zusätzlich verursachte Verspannungen reduziert werden können .
Figur 2B zeigt ein viertes Aus führungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 , bei dem die Stromeinengungsschicht 5 in der n-Mantelschicht 11 und damit auf der substrat zugewandten Seite des Schichtenstapels 2 angeordnet ist .
Figuren 3A und 3B zeigen ein fünftes und sechstes Aus führungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 , wobei die Stromeinengungsschicht 5 im Bereich der aktiven Zone 4 auf der substratabgewandten (vgl . Figur 3A) beziehungsweise der substrat zugewandten Seite (vgl . Figur 3B ) der aktiven Zone 4 angeordnet ist . Dadurch kann die Ladungsträgerdichte in der aktiven Zone 4 an der Seitenfläche 2A gezielt reduziert werden .
Figur 4 zeigt ein siebtes Aus führungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 . Hier befindet sich die Stromeinengungsschicht 5 im Bereich der p- Kontaktschicht 7 . Damit ist die Stromeinengungsschicht 5 noch weiter entfernt von der aktiven Zone 4 angeordnet als beim dritten Aus führungsbeispiel , so dass durch die Stromeinengungsschicht 5 verursachte , zusätzliche Verspannungen weiter reduziert werden können . Um trotzdem eine ausreichende Stromeinengung im Bereich der aktiven Zone
4 zu gewährleisten, kann der zweite Bereich 5B beispielsweise mit einer größeren lateralen Ausdehnung b als beim ersten Aus führungsbeispiel ausgebildet werden .
Figur 5 zeigt ein achtes Aus führungsbeispiel eines optoelektronischen Halbleiterbauelements 1 , bei dem die Stromeinengungsschicht 5 im Bereich der Puf ferschicht 13 und damit auf der substrat zugewandten Seite des Schichtenstapels 2 angeordnet ist . Die Stromeinengungsschicht 5 ist von der aktiven Zone 4 weiter beabstandet als beim vierten Aus führungsbeispiel , so dass durch die Stromeinengungsschicht
5 verursachte , zusätzliche Verspannungen weiter reduziert werden können .
Bei den in den Figuren 6 bis 9 dargestellten Aus führungsbeispielen weisen die Schichtenstapel 2 der Halbleiterbauelemente 1 j eweils mehrere Stromeinengungsschichten 5 auf , die auf der p-Seite und der n-Seite angeordnet sind, so dass eine beidseitige Stromeinengung statt finden kann .
Beispielsweise sind bei dem in Figur 6 dargestellten, neunten Aus führungsbeispiel die Stromeinengungsschichten 5 im Bereich des p-Wellenleiters 9 und des n-Wellenleiters 12 angeordnet . Dieses Aus führungsbeispiel weist außerdem die in Verbindung mit dem ersten und zweiten Aus führungsbeispiel genannten Vorteile auf .
Weiterhin sind bei dem in Figur 7 dargestellten, zehnten Aus führungsbeispiel die Stromeinengungsschichten 5 im Bereich der p-Mantelschicht 8 und der n-Mantelschicht 11 angeordnet . Dieses Aus führungsbeispiel weist außerdem die in Verbindung mit dem dritten und vierten Aus führungsbeispiel genannten Vorteile auf .
Bei dem in Figur 8 dargestellten, el ften Aus führungsbeispiel , sind die Stromeinengungsschichten 5 im Bereich der aktiven Zone 4 angeordnet . Dieses Aus führungsbeispiel weist außerdem die in Verbindung mit dem fünften und sechsten Aus führungsbeispiel genannten Vorteile auf .
Ferner sind bei dem in Figur 9 dargestellten, zwöl ften Aus führungsbeispiel die Stromeinengungsschichten 5 im Bereich der Kontaktschicht 7 und der Puf ferschicht 13 angeordnet . Dieses Aus führungsbeispiel weist außerdem die in Verbindung mit dem siebten und achten Aus führungsbeispiel genannten Vorteile auf .
Während die Stromeinengungsschichten 5 bei den in den Figuren 6 bis 9 dargestellten Aus führungsbeispielen j eweils insbesondere identisch ausgebildet sind, zeigen die Figuren 10 und 11 Aus führungsbeispiele , bei denen der Schichtenstapel 2 zwei Stromeinengungsschichten 5 aufweist , die sich in der lateralen Ausdehnung b der zweiten Bereiche 5B voneinander unterscheiden . Dies kann bei dem in Figur 10 dargestellten, drei zehnten Aus führungsbeispiel durch unterschiedliche vertikale Ausdehnungen d der zugehörigen Ausgangsschichten erzielt werden, wobei bei der dickeren Ausgangsschicht eine schnellere und damit lateral tiefer eindringende Oxidation auf tritt als bei der dünneren Ausgangsschicht .
Bei dem in Figur 11 dargestellten, vierzehnten Aus führungsbeispiel unterscheiden sich die Stromeinengungsschichten 5 beziehungsweise die Ausgangsschichten, die zur Herstellung der Stromeinengungsschichten 5 dienen, in ihrer Material zusammensetzung . Dabei sind die Material zusammensetzungen so gewählt , dass bei der einen Ausgangsschicht eine schnellere und damit lateral tiefer eindringende Oxidation auftritt als bei der anderen Ausgangsschicht . Insbesondere weist die Ausgangsschicht , bei der eine schnellere Oxidation auftritt , einen höheren Aluminiumgehalt auf .
Figur 12 zeigt ein fünf zehntes Aus führungsbeispiel eines Halbleiterbauelements 1 , bei dem der Schichtenstapel 2 zwei aneinander grenzende Stromeinengungsschichten 5 aufweist , deren zweite Bereiche 5B unterschiedliche laterale Ausdehnungen b aufweisen . Dadurch kann ein gewünschtes Stromprofil gezielt eingestellt werden . Dabei weist die Stromeinengungsschicht 5 , die weiter entfernt von der aktiven Zone 4 angeordnet ist , einen zweiten Bereich 5B mit größerer lateraler Ausdehnung b auf . Weiterhin weist die Stromeinengungsschicht 5 , die sich näher an der aktiven Zone 4 befindet , mit Vorteil eine höhere Dotierung auf als die andere Stromeinengungsschicht 5 . Insbesondere kann hierbei eine Stromüberhöhung am Übergang zwischen den beiden zweiten Bereichen 5B der Stromeinengungsschichten 5 abgemildert werden .
Figur 13 zeigt ein sechzehntes Aus führungsbeispiel eines Halbleiterbauelements 1 , das zwei Schichtenstapel 2 der oben genannten Art aufweist , die übereinander angeordnet und insbesondere monolithisch integriert sind, wobei zwischen den Schichtenstapeln 2 ein Tunnelübergang 6 angeordnet ist . Der Tunnelübergang 6 umfasst insbesondere zwei hochdotierte Schichten unterschiedlichen Leitungstyps (n- bzw . p-leitend) und dient zur elektrischen Verbindung der Schichtenstapel 2 . Das Halbleiterbauelement 1 weist im Bereich des Tunnelübergangs 6 zwei Stromeinengungsschichten 5 auf , die auf gegenüberliegenden Seiten des Tunnelübergangs 6 angeordnet sind . Weiterhin weist das Halbleiterbauelement 1 eine in der Mantelschicht 8 angeordnete Stromeinengungsschicht 5 auf . Mittels der übereinander angeordneten Schichtenstapel 2 kann eine höhere optische Ausgangsleistung erzielt werden, wobei die Seitenfläche 2A vorteilhaftweise durch die Stromeinengungsschichten 5 vor übermäßiger Erwärmung und Degradation geschützt wird .
Die in Verbindung mit den Figuren IC bis 13 beschriebenen Halbleiterbauelemente 1 weisen bis auf die genannten Unterschiede insbesondere eine dem ersten Aus führungsbeispiel entsprechende Struktur des Schichtenstapels auf .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Aus führungsbeispiele beschränkt . Vielmehr umfasst die Erfindung j edes neue Merkmal sowie j ede Kombination von Merkmalen, was insbesondere j ede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet , auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht expli zit in den Patentansprüchen oder Aus führungsbeispielen angegeben ist .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102020123854 . 1 , deren Of fenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird . Bezugs zeichenliste
1 optoelektronisches Halbleiterbauelement
2 Schichtenstapel
2A Seitenfläche
2B erste Hauptfläche
2C zweite Hauptfläche
3 Substrat
4 aktive Zone
5 aluminiumhaltige Stromeinengungsschicht
5A erster Bereich
5B zweiter Bereich
6 Tunnelübergang
7 p-Kontaktschicht
8 p-Mantelschicht
9 p-Wellenleiter
11 n-Mantelschicht
12 n-Wellenleiter
13 Puf ferschicht
50 Ausgangsschicht b laterale Ausdehnung d vertikale Ausdehnung
L laterale Richtung
0 Oxidation
V vertikale Richtung

Claims

- 24 - Patentansprüche
1. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) umfassend zumindest einen Schichtenstapel (2) aufweisend
- eine aktive Zone (4) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung,
- zumindest zwei aluminiumhaltige Stromeinengungsschichten (5) , die jeweils einen ersten Bereich (5A) und einen zweiten Bereich (5B) umfassen, wobei der zweite Bereich (5B) eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der erste Bereich (5A) , und
- eine Seitenfläche (2A) , die den Schichtenstapel (2) lateral begrenzt und an der jeweils der zweite Bereich (5B) angeordnet ist, wobei der zweite Bereich (5B) jeweils ein oxidierter Bereich ist, und wobei sich die Stromeinengungsschichten (5) in ihrer vertikalen Ausdehnung (d) und lateralen Ausdehnung (b) der zweiten Bereiche (5B) voneinander unterscheiden, wobei die dickere Stromeinengungsschicht (5) eine größere laterale Ausdehnung (b) des zweiten Bereichs (5B) aufweist als die dünnere Stromeinengungsschicht (5) .
2. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei zumindest einer der ersten Bereiche (5A) AlxGaylnl-x-yAsP enthält und wobei 0,9 < x < 1 und x + y < 1 gilt.
3. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Bereich (5B) jeweils einen höheren Sauerstoff gehalt aufweist als der erste Bereich (5A) .
4. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer der zweiten Bereiche (5B) eine laterale Ausdehnung (b) zwischen einschließlich 0,1 pm und einschließlich 100 pm aufweist.
5. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Stromeinengungsschichten (5) eine vertikale Ausdehnung (d) zwischen einschließlich 2 nm und einschließlich 200 nm aufweist .
6. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Schichtenstapel (2) eine erste Hauptfläche (2B) und eine zweite Hauptfläche (2C) aufweist, die jeweils quer zu der Seitenfläche (2A) angeordnet sind, wobei zumindest eine der Stromeinengungsschichten (5) näher an der aktiven Zone (4) als an der ersten und/oder zweiten Hauptfläche (2B, 2C) angeordnet ist.
7. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich zumindest zwei der aluminiumhaltigen Stromeinengungsschichten (5) in ihrer Materialzusammensetzung und/oder vertikalen Ausdehnung (d) und/oder lateralen Ausdehnung (b) der zweiten Bereiche (5B) voneinander unterscheiden.
8. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das zumindest zwei Schichtenstapel (2) aufweist, die übereinander angeordnet sind, wobei zwischen den Schichtenstapeln (2) ein Tunnelübergang (6) angeordnet ist.
9. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optoelektronische Halbleiterbauelement (1) ein kantenemittierendes Laserbauelement ist und die Seitenfläche (2A) zur Auskopplung der elektromagnetischen Strahlung vorgesehen ist.
10. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Stromeinengungsschichten (5) im Bereich zumindest eines der folgenden Elemente des optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) angeordnet ist: p-Kontaktschicht (7) , p-Mantelschicht (8) , p-Wellenleiter (9) , aktive Zone (4) , n-Kontaktschicht , n-Mantelschicht (11) , n-Wellenleiter (12) , Pufferschicht (13) , Nukleationsschicht , Tunnelübergang (6) .
11. Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit den aufeinanderfolgenden Schritten:
- Bereitstellen zumindest eines Schichtenstapels (2) , der zumindest zwei aluminiumhaltige Ausgangsschichten (50) und eine Seitenfläche (2A) aufweist, die den Schichtenstapel (2) lateral begrenzt,
- Ausbilden von zumindest zwei Stromeinengungsschichten (5) mit jeweils einem ersten Bereich (5A) und jeweils einem zweiten Bereich (5B) , der an der Seitenfläche (2A) angeordnet ist und eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als der erste Bereich (5A) , dadurch, dass die zumindest zwei aluminiumhaltigen Ausgangsschichten (50) jeweils in dem zweiten Bereich (5B) oxidiert werden, wobei sich die Stromeinengungsschichten (5) in ihrer vertikalen Ausdehnung (d) und lateralen Ausdehnung (b) der zweiten Bereiche (5B) voneinander unterscheiden, wobei die dickere - 27 -
Stromeinengungsschicht (5) eine größere laterale Ausdehnung (b) des zweiten Bereichs (5B) aufweist als die dünnere Stromeinengungsschicht (5) .
12. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Bereich (5B) jeweils mittels lateraler Oxidation (0) der Ausgangsschicht (50) ausgehend von der Seitenfläche (2A) erzeugt wird.
13. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Eindringtiefe der Oxidation (0) jeweils durch eine vertikale Ausdehnung (d) der Ausgangsschicht (50) reguliert wird.
14. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei eine
Eindringtiefe der Oxidation (0) jeweils durch den Aluminiumgehalt der Ausgangsschicht (50) reguliert wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei eine Eindringtiefe der Oxidation (0) jeweils durch eine Dauer des Oxidationsvorgangs reguliert wird.
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