WO2022243344A1 - Halbleiterlaser, halbleiterlaservorrichtung und optoelektronisches halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterlaser, halbleiterlaservorrichtung und optoelektronisches halbleiterbauelement Download PDF

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WO2022243344A1
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converter
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Hubert Halbritter
Stefan Morgott
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01S5/32308—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm
    • H01S5/32341—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm blue laser based on GaN or GaP

Definitions

  • SEMICONDUCTOR LASER SEMICONDUCTOR LASER DEVICE AND SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONIC DEVICE
  • the object of the present invention is to provide an improved semiconductor laser, an improved semiconductor laser device and an improved optoelectronic semiconductor component.
  • a semiconductor laser comprises a surface-emitting semiconductor laser element and a converter which is suitable for converting a wavelength of the laser radiation emitted by the surface-emitting semiconductor laser element.
  • the converter is arranged spatially separate from the surface-emitting semiconductor laser element.
  • the converter is arranged at a distance from a first emission surface of the surface-emitting semiconductor laser element.
  • a distance between the converter and the first emission surface of the surface-emitting semiconductor laser element can be greater than 500 ⁇ m, for example greater than 1 mm.
  • the first emission surface of the surface emitting semiconductor laser element is parallel to a second emission surface of the converter.
  • the first emission surface of the surface-emitting semiconductor laser element may also not be parallel to a second emission surface of the converter.
  • the semiconductor laser can also have a carrier for the converter, the carrier comprising a thermally conductive material.
  • a carrier which is arranged between the surface-emitting semiconductor laser element and the converter, can be suitable, for example, for letting through parts of the emitted laser radiation with a certain wavelength and for reflecting other parts.
  • the semiconductor laser can also have a deflection element for the emitted laser radiation, which is arranged between the surface-emitting semiconductor laser element and the converter.
  • the deflection element can comprise a wavelength-selective element.
  • the deflection element can comprise a wavelength-selective beam splitter, which is suitable for reflecting parts of the emitted laser radiation with a specific wavelength to the converter and letting other parts through.
  • the semiconductor laser can further have a first optical element between the first emission surface and the converter.
  • the semiconductor laser may further include a second optical element over a second emission surface of the converter.
  • a semiconductor laser device has an arrangement of a multiplicity of surface-emitting semiconductor laser elements and a converter which is suitable for converting a wavelength of a laser radiation emitted by one of the surface-emitting semiconductor laser elements.
  • the converter is spatially separated from the array of surface-emitting semiconductor laser elements.
  • the semiconductor laser device can also have a plurality of first optical elements between a first emission surface of the surface-emitting semiconductor laser elements and the converter, each of the first optical elements being associated with one of the surface-emitting semiconductor laser elements.
  • the semiconductor laser device may further include a plurality of second optical elements over a second emission surface of the converter, each of the second optical elements being associated with one of the surface emitting semiconductor laser elements, respectively.
  • the plurality of second optical elements may be arranged at a different distance from adjacent second optical elements than the plurality of surface emitting semiconductor laser elements.
  • the converter can have an arrangement of a multiplicity of conversion regions.
  • optical separating elements can be arranged between the conversion areas.
  • An optoelectronic semiconductor component includes the semiconductor laser device as described above.
  • the optoelectronic semiconductor component can be selected from an automotive lighting system, a general lighting device or a display device.
  • FIG. 1A shows a schematic view of a semiconductor laser device according to embodiments.
  • FIG. 1B shows another view of a semiconductor laser device according to embodiments.
  • Fig. IC shows a schematic cross-sectional view of a surface-emitting semiconductor laser element.
  • FIGS. 2A to 2E illustrate further schematic views of semiconductor laser devices according to embodiments.
  • 3A and 3B illustrate further schematic views of semiconductor laser devices according to embodiments.
  • 3C shows an alternative embodiment of a converter.
  • 4A to 4C illustrate schematic views of semiconductor laser devices according to embodiments.
  • FIG. 5 shows a schematic view of an optoelectronic semiconductor component according to embodiments.
  • Wafer or “semiconductor substrate” used in the following description may include any semiconductor-based structure that has a semiconductor surface. Wafer and structure are understood to include doped and undoped semiconductors, epitaxial semiconductor layers optionally supported by a base underlying, and other semiconductor structures. For example, a layer of a first semiconductor material rial be grown on a growth substrate of a second semiconductor material, such as a GaAs substrate, a GaN substrate or a Si substrate, or of an insulating material, such as a sapphire substrate.
  • a second semiconductor material such as a GaAs substrate, a GaN substrate or a Si substrate, or of an insulating material, such as a sapphire substrate.
  • the semiconductor can be based on a direct or an indirect semiconductor material.
  • semiconductor materials that are particularly suitable for generating electromagnetic radiation include, in particular, nitride semiconductor compounds that can be used, for example, to generate ultraviolet, blue or longer-wave light, such as GaN, InGaN, AlN, AlGaN, AlGaInN, AlGaInBN, phosphide semiconductor compounds , which can be used to generate green or longer-wave light, such as GaAsP, AlGaInP, GaP, AlGaP, and other semiconductor materials such as GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga 2Ü3 , diamond, hexagonal BN and combinations of the materials mentioned.
  • the stoichiometric ratio of the compound semiconductor materials can vary.
  • Other examples of semiconductor materials may include silicon, silicon-germanium, and germanium. In the context of the present description, the term "semiconductor" also
  • substrate generally includes insulating, conductive, or semiconductor substrates.
  • vertical as used in this specification is intended to describe an orientation that is substantially perpendicular to the first surface of a substrate or semiconductor body.
  • the vertical direction can correspond to a growth direction when layers are grown, for example.
  • lateral and horizontal as used in this specification are intended to describe an orientation or alignment that is substantially parallel to a first surface of a substrate or semiconductor body. This can be the surface of a wafer or a chip (die), for example.
  • the horizontal direction can, for example, lie in a plane perpendicular to a growth direction when layers are grown.
  • the wavelength of electromagnetic radiation emitted from a semiconductor laser element can be converted using a converter material containing a phosphor or phosphor.
  • white light can be generated by combining a semiconductor laser element that emits blue light with a suitable phosphor.
  • the phosphor may be a yellow phosphor capable of emitting yellow light when excited by the light from the blue semiconductor laser element.
  • the phosphor can, for example, absorb part of the electromagnetic radiation emitted by the semiconductor laser element.
  • the combination of blue and yellow light is perceived as white light.
  • the color temperature can be changed by adding further phosphors that are suitable for emitting light of a further wavelength, for example a red wavelength.
  • white light can be generated by a blue-emitting semiconductor laser element in combination with a green and red phosphor.
  • a converter material can comprise a number of different phosphors, each of which emits different wavelengths.
  • phosphors are metal oxides, metal halides, metal sulfides, metal nitrides, and others.
  • These compounds can also contain additives that cause specific wavelengths to be emitted.
  • the additives can include rare earth materials.
  • YAG:Ce 3+ yttrium aluminum garnet (Y 3 Al 5 O 12) activated with cerium) or (Sri. 7 Bao. 2 Euo.i)S1O 4 can be used as an example for a yellow phosphor.
  • Further phosphors can be based on MSiC> 4 :Eu 2+ , where M can be Ca, Sr or Ba. By selecting the cations with an appropriate concentration, a desired conversion wavelength can be selected. Many other examples of suitable phosphors are known.
  • the phosphor material for example a phosphor powder
  • the matrix material may comprise a resin or polymer composition such as a silicone or an epoxy resin.
  • the size of the phosphor particles can be, for example, in the micrometer or nanometer range.
  • the matrix material can include a glass.
  • the converter material can be formed by sintering the glass, for example S1O 2 with other additives and phosphor powder, with the formation of a phosphor in the glass (PiG).
  • the phosphor material itself can be sintered to form a ceramic.
  • the ceramic phosphor can have a polycrystalline structure.
  • the phosphor material can be grown to form a monocrystalline phosphor, for example using the Czochralski (Cz) method.
  • the phosphor material itself can be a semiconductor material which has a suitable band gap for absorption of the radiation emitted by the semiconductor laser element and for emission of the desired conversion wavelength in the volume or in layers.
  • this can be an epitaxially grown semiconductor material.
  • the epitaxially grown semiconductor material can have a band gap that corresponds to a lower energy than that of the primarily emitted light.
  • several suitable semiconductor layers, each emitting light of different wavelengths, can be stacked one on top of the other.
  • One or more quantum wells, quantum dots, or quantum wires may be formed in the semiconductor material.
  • FIG. 1A shows a schematic view of a semiconductor laser 10 or a semiconductor laser device 11.
  • the semiconductor laser 10 comprises a surface-emitting semiconductor laser element 105 and a converter 210.
  • the converter 210 is suitable for converting a wavelength of the laser radiation 115 emitted by the surface-emitting semiconductor laser element 105.
  • the converter 210 is arranged spatially separated from the surface emitting semiconductor laser element 105 .
  • a semiconductor laser device 11 has a multiplicity of surface-emitting semiconductor laser elements 105 and a converter.
  • the converter is suitable for converting a wavelength of a laser radiation 115 emitted by one of the surface-emitting semiconductor laser elements 105 .
  • the converter 210 is spatially separated from the arrangement of surface-emitting semiconductor laser elements 105 .
  • Components of the semi- guide laser 10 or the semiconductor laser device 11 will be described with reference to a semiconductor laser. It is clear that the elements described in relation to the semiconductor laser are also applicable to the semiconductor laser device 11, unless otherwise described.
  • the surface-emitting semiconductor laser element shown in FIG. 1A can be, for example, a VCSEL ("Vertical Cavity Surface Emitting Laser") with a vertical optical resonator.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • FIG. IC An example of a layer structure is shown in FIG. IC.
  • the surface-emitting semiconductor laser element can also be an HCSEL ("Horizontal Cavity Surface Emitting Laser"), i.e. a surface-emitting laser element with a horizontal optical resonator, or a PCSEL ("Photonic Crystal Surface Emitting Laser"), i.e. a surface-emitting laser element with a photonic be crystal.
  • the semiconductor layers of the surface emitting semiconductor laser element 105 may be monolithically formed in a laser substrate 100 nem. According to other forms of embodiment, however, they can also be applied individually to a new carrier 102 after formation in a growth substrate.
  • the new carrier can be different from the growth substrate and can be a Si
  • the laser substrate 100 is formed over a first carrier 102 .
  • control electronics 120 for controlling the surface-emitting semiconductor laser elements 105 can be provided in the first carrier 102 .
  • a first optical element 125 can be provided in order, for example, to focus and/or collimate the emitted laser radiation. As shown in FIG. 1A , a first optical element 125 can be provided for each surface-emitting semiconductor laser element 105 . In accordance with a further embodiment, however, a first optical element 125 can also be provided for a multiplicity of surface-emitting semiconductor laser elements 105 .
  • the converter 210 can be applied to a second carrier 200, for example.
  • the second carrier 200 can represent a heat sink and can be constructed from a material with a high thermal conductivity.
  • the second carrier 200 can comprise a metal, for example copper or a ceramic.
  • the laser radiation 115 emitted by the surface-emitting semiconductor laser element 105 impinges on the converter 210.
  • the wavelength of the laser radiation 115 is converted and converted laser radiation 215 is emitted.
  • a converter 210 for a multiplicity of surface-emitting semiconductor laser elements 105 can be provided in the semiconductor laser arrangement 11 of FIG. 1A.
  • the converter 210 acts as a Lambertian radiator, which can emit the converted laser radiation 215 in all spatial directions, for example.
  • the converted laser radiation 215 is emitted via a second emission surface 211 .
  • the second emission surface 211 may not be parallel to the first emission surface 103 . Accordingly, the laser radiation is deflected.
  • the first emission surface 103 can also be arranged at a distance from the second emission surface 210 . For example, a smallest distance d between the first emission surface 103 and the converter 210 can be more than 500 gm, for example 1 mm or more.
  • FIG. 1B shows a schematic view of a semiconductor laser according to further embodiments.
  • the semiconductor laser 10 or the semiconductor laser device 11 further comprises a second optical element 225 over the second emission surface 211.
  • the second optical element 225 can be a lens that is suitable for collimating the converted laser beam 215 .
  • Each optical element 225 is assigned to a semiconductor laser element 105 in each case.
  • the second optical element 225 directs the emitted laser radiation 115 to a small spot within the converter 210 focused. For example, this can take place particularly well when the emitted laser radiation 115 has been collimated by the first optical element 125 . Since the emitted laser radiation 115 is collimated and the emitted laser radiation 115 is focused in the converter, the emitted white light can be collimated particularly well by the second optical element 225 .
  • a converter 210 is provided for a plurality of surface-emitting semiconductor laser elements 105 in each case. According to further embodiments, however, a separate converter can also be provided for each surface-emitting semiconductor laser element 105 .
  • the surface emitting laser element 105 has a first resonator mirror 135, a second resonator mirror 140 and an optical resonator 159 between the first resonator mirror 135 and the second resonator mirror 140's.
  • the optical resonator 159 extends in the vertical direction.
  • the first cavity mirror 135 may include alternately stacked first layers of a first composition and second layers of a second composition. For example, when using dielectric layers, they can alternately have a high refractive index (n>1.7) and a low refractive index (n ⁇ 1.7) and be designed as a Bragg reflector.
  • the first resonator mirror 135 can also have semiconductor layers.
  • semiconductor layers with a high refractive index (n>3.3) and semiconductor layers with a low refractive index (n ⁇ 3.3) can be arranged alternately.
  • the layer thickness can be 1/4 or a multiple of 1/4, where 1 indicates the wavelength of the light to be reflected.
  • the first resonator mirror 135 can have, for example, 2 to 50 different layers.
  • a typical layer thickness of the individual layers can be about 30 to 90 nm, for example about 50 nm.
  • the Layer Stack may further contain one or two or more layers thicker than about 180 nm, for example thicker than 200 nm.
  • the first resonator mirror 135 can have an overall reflectivity of 99.8% or more for the laser radiation.
  • Layers of the first resonator mirror 135 can, for example, be doped with a first conductivity type, for example n-conducting.
  • a first semiconductor layer 145 of a first conductivity type, for example n-conducting, can be arranged above the first resonator mirror 135 .
  • the semiconductor layer stack can have a second semiconductor layer 150 of a second conductivity type, for example p-type.
  • An active zone 155 may be arranged between the first semiconductor layer 145 and the second semiconductor layer 150 .
  • the active zone 155 can have, for example, a pn junction, a double heterostructure, a simple quantum well structure (SQW, single quantum well) or a multiple quantum well structure (MQW, multi quantum well) for generating radiation.
  • Quantum well structure has no meaning here with regard to the dimensionality of the quantization. It thus includes, among other things, quantum wells, quantum wires and quantum dots as well as any combination of these layers.
  • a suitable insulating layer 158 extends from the edge of the semiconductor laser element 105 in the direction of the Center of the semiconductor laser element 105, so that a conductive area remains in the central area
  • An aperture 156 for current conduction is formed through the areas of the insulating layer 158.
  • the first semiconductor layer 145 can be electrically connected via a first contact element 142, the second semiconductor layer 150 is above a second contact element 143 can be electrically connected.
  • the first and second semiconductor layers 145, 150 and layers of the active zone 150 can each contain GaN or a GaN-containing compound semiconductor material.
  • a frequency of the emitted laser radiation can be in a range from 400 to 470 nm.
  • 1C shows an illustrative example of a surface emitting semiconductor laser element 105. It goes without saying that components of the surface emitting semiconductor laser element 105 can be modified. According to further embodiments, the surface-emitting semiconductor laser element 105 can also be implemented in a different way.
  • the surface-emitting semiconductor laser element 105 can also be implemented as an HCSEL (“Horizontal Cavity Surface Emitting Laser”), ie as a surface-emitting laser with a horizontal resonator.
  • the surface-emitting semiconductor laser element 105 can also be in the form of a PCSEL (“Photonic Crystal Surface Emitting Laser”), ie semi-conductor lasers, in which, for example, a photonic crystal is provided instead of a resonator mirror, be realized.
  • the first emission surface 103 is parallel to the second emission surface 211.
  • the laser radiation 115 emitted by the semiconductor laser element 105 passes through a side of the converter facing away from the second emission surface 211 210 into the converter 210.
  • the converted laser radiation 215 is emitted via the second emission surface 211 .
  • an optical element 225 can be provided for collimating the laser radiation.
  • collimated radiation 216 is output.
  • the converter 210 can be applied over a second carrier 200 .
  • the second carrier 200 can be constructed from a thermally conductive material and thus cause the converter to cool down.
  • the carrier 200 can comprise a transparent ceramic or sapphire.
  • the carrier 200 can have a wavelength-selective transmittance, for example. For example, it can selectively transmit blue light and reflect light with a longer wavelength.
  • a further filter can be provided on the side of the converter 210 facing away from the second emission surface 211, which allows the emitted laser radiation 115 to pass and reflects longer-wave radiation.
  • the second carrier 200 can be constructed from a corresponding filter material.
  • a corresponding filter layer can also be applied to the second carrier 200 . In this way it is ensured that the radiation emitted by the surface-emitting semiconductor laser elements 105 and acting as pump radiation is transmitted to a large extent. Converted radiation, which is emitted for example from the converter in the direction of the surface-emitting semiconductor laser elements 105, is reflected in the direction of the second emission surface 211.
  • the distance d between the first emission surface 103 and the converter 210 can also be less than 500 pm.
  • the second carrier 200 can directly adjoin the first emission surface 103 .
  • the spatial separation between the converter 210 and the surface-emitting semiconductor laser element can result from the second carrier 200, which is arranged between the converter 210 and the surface-emitting semiconductor laser element 105.
  • a deflection element 128 between the surface emitting semiconductor laser element 105 and the converter 210 is additionally provided here.
  • the deflection element can ment be a mirror or reflective film.
  • the deflection element 128 can contain a film that reflects a small range of wavelengths. For example, it can precisely reflect the wavelength of the laser radiation 115 emitted. Electromagnetic radiation with a different wavelength is not reflected by the deflection element 128, for example.
  • the deflection element 128 can include holographic elements, as a result of which the emitted laser radiation 115 is deflected in the direction of the converter 210 .
  • the deflection element 128 can be aligned and set up in such a way that the reflected radiation 117 is reflected perpendicularly or in an inclined direction to a surface of the deflection element 128 .
  • FIG. 2C shows a semiconductor laser 10 or a semiconductor laser device 11 according to further embodiments. Contrary to embodiments shown in FIG. 2B, the reflected laser radiation 117 is not reflected perpendicularly to a surface of the deflection element 128, but at an inclined angle. In this way it is possible to obtain a different radiation characteristic.
  • the deflection element 128 may spatially only partially overlap the converter 210 or may not overlap the converter 210 at all.
  • the deflection element 128 is arranged in such a way that the reflected laser radiation 117 is reflected by the deflection element 128 in the direction of the converter 210 . Due to the fact that the deflection element 128 only partially or not at all overlaps with the converter 210, radiation emitted by the converter 210 can be emitted perpendicularly to an emission surface 211 without hitting the deflection element 128 again.
  • Other components of the semiconductor laser 10 or the semiconductor laser device 11 are as described with reference to FIG. 2C. In accordance with further embodiments illustrated in FIG.
  • the deflection element 128 may not be aligned parallel to a first emission surface 103 .
  • a reflecting surface of the deflection element 128 can here include an angle ⁇ that is greater than 0° with the first emission surface 103 .
  • electromagnetic radiation 115 that impinges on the deflection element 128 can be deflected in the direction of the converter 210 from.
  • the deflection element 128 does not overlap with the converter 210. Accordingly, converted laser radiation 215, which is emitted via the second emission surface 211, can transmit the semiconductor laser
  • FIG. 3A shows a schematic view of a semiconductor laser device 11 according to embodiments.
  • the semiconductor laser device
  • the 11 has a plurality of surface emitting semiconductor laser elements 105 and a converter.
  • the converter is suitable for converting a wavelength of a laser radiation 115 emitted by one of the surface-emitting semiconductor laser elements 105 .
  • the converter 210 is spatially separated from the arrangement of surface-emitting semiconductor laser elements 105 .
  • a plurality of second optical elements 225 may be arranged over the second emission surface 211 of the converter 210 .
  • a plurality of first optical elements 125 can be arranged over a first emission surface 103 .
  • the laser radiation 115 which is emitted by the individual surface-emitting semiconductor laser elements 105, is collimated by the first optical elements 125, it is possible to focus the reflected laser radiation 117 through the second optical elements 225 on a single point, for example a virtual Picture element 205 can represent.
  • the laser radiation is then emitted via the second emission surface 211 as converted laser radiation 215 .
  • the laser radiation can be collimated very well via the second optical element 225, so that as a result collimated radiation 216 is output.
  • the collimated radiation 216 appears as if the individual rays had been emitted from individual virtual picture elements 205 , although the converter 210 is of planar design.
  • the semiconductor laser device 11 can also have a third optical element 126 between the arrangement of surface-emitting semiconductor laser elements 105 and the deflection element 128, which reduces, for example, the distance between the individual emitted laser beams 117, which are each emitted by the individual surface-emitting semiconductor laser elements 105 becomes.
  • the virtual picture elements 205 or the second optical elements 225 at a smaller distance s than the distance f between the adjacent surface-emitting semiconductor laser elements 105 .
  • a distance f between the adjacent surface-emitting semiconductor laser elements 105 can be less than 100 ⁇ m.
  • the third optical element 126 may be a general optical element for reducing or increasing the distance between the laser beams emitted from each surface-emitting semiconductor laser element 105 .
  • the finally emitted collimated radiation 216 is optimally aligned.
  • the deflection element 128 instead of a planar deflection element 128 in combination with a third optical element 126, the deflection element 128 itself can also have an optical effect, for example a focusing or diverging effect.
  • the deflection element 128 can be designed as a curved reflector.
  • FIG. 3C shows a view of a converter 210 in which an optical separating element 220 is provided between adjacent conversion regions 212 .
  • the optical separation element 220 can contain a metal or pigments that reflect very well, for example TiO pigments.
  • the optical separation element 220 can also be absorbent and contain carbon, for example. In this way, crosstalk between adjacent virtual picture elements 205 can be further reduced.
  • a focused spot is generated in converter 210 .
  • This also makes it possible to prevent crosstalk with neighboring picture elements. Due to the fact that the reflected laser radiation 117 is focused on a point within the converter 210 and there is a comparatively large distance to neighboring virtual picture elements 205, it is possible for the second optical element 225 to radiated laser radiation collimated. As a result, pixel sizes of ⁇ 100 gm can be efficiently realized.
  • the distance s between adjacent virtual picture elements 205 is less than 100 gm, for example less than 40 gm or even less than 10 gm.
  • a high luminance can be achieved.
  • the power is limited to very small pixel sizes. As a result, higher luminances per pixel are achieved.
  • the power emitted by a semiconductor laser can be more than 10 times the power emitted by a GaN LED. For this reason, a brightness comparable to that of a GaN-LED can be achieved if the semiconductor laser is only operated for a tenth of the operating time of the GaN-LED.
  • the semiconductor laser can be operated in a pulsed manner, so that it is switched on only at a ratio of 1/k, where k can have a value between 10 and 100. Due to the considerably shortened charge lifetime in the laser in the stimulated area, the semiconductor laser can be switched on very quickly. Accordingly, it can be controlled ultra-fast (in the nanosecond range) via pulse width modulation. A high dimming range can be generated.
  • the deflection element can also be implemented as a beam splitter.
  • FIG. 4A shows an example of a semiconductor laser or a semiconductor laser device, in which the emitted laser radiation 115 is reflected via a beam splitter 130 in the direction of the converter 210.
  • the beam splitter 130 can be suitable for realizing a wavelength-dependent reflection.
  • the beam splitter 130 may only reflect the emission wavelength of the surface emitting semiconductor laser element.
  • the other components of the semiconductor laser or semiconductor laser device 11 in FIG. 4A are identical to those described in FIGS. 1A to 3C. Typically, the emission wavelength of semiconductor lasers varies with temperature.
  • the change in emission wavelength can be restricted to less than 3 nm in a temperature range of about 100K. Accordingly, the beam splitter 130 should be set up in such a way that it lets through a wavelength range of approximately 5 nm around a target wavelength. This can be achieved, for example, with an appropriately adapted, highly reflective Ver mirroring.
  • the beam splitter 130 only reflects laser radiation 115 in a small wavelength range in the direction of the converter 210 ensures that the beam splitter 130 lets through a comparatively large proportion of the laser radiation converted by the converter 210 . In this way, the radiated luminance can be increased.
  • the semiconductor laser has a surface-emitting semiconductor laser element whose emission wavelength is very narrow-band and moreover temperature-stable, it is possible to obtain a light source that is uniform over a larger temperature range.
  • the surface-emitting semiconductor laser element can be combined in a favorable manner with a wavelength-selective deflection element, for example a wavelength-selective beam splitter.
  • --an optical separating element 220 can be provided between adjacent conversion regions 212.
  • the converter 210 can also be designed in a planar manner without separating elements 220 .
  • FIG. 4B shows a view of a semiconductor laser 10 or a semiconductor laser device 11 according to further embodiments.
  • the semiconductor laser also has a third optical element 126.
  • This third optical element 126 can, for example, reduce the distance between adjacent emitted laser beams 115. be enlarged or reduced, or any radiation pattern can be generated.
  • an optical separating element 220 can again be arranged between adjacent second optical elements 225 in order to better separate adjacent virtual image elements 205 from one another.
  • the first optical elements 125 and/or the second optical elements 225 can also be formed in one piece with the beam splitter 130 . This is shown in Figure 4C. As a result, a particularly compact construction of the semiconductor laser or the semiconductor laser device 11 can be achieved.
  • the other components of the semiconductor laser or the semiconductor laser device 11 in FIG. 4A are identical to those which have been described in FIGS. 1A to 3C.
  • the surface-emitting semiconductor laser elements 105 can be suitable for emitting blue light.
  • the light emitted by the surface-emitting semiconductor laser elements can also be in the UV or in the near-UV range. In this way, losses caused by the beam splitter 130 can be reduced.
  • the optoelectronic semiconductor component 15 has the semiconductor laser device 11 described above.
  • the optoelectronic semiconductor component can be a component of the motor vehicle lighting.
  • individual semiconductor laser elements can be switched on and off in a targeted manner by the control electronics 120 . Due to the fast switching times of the surface-emitting semiconductor laser elements, which are in the single-digit nanosecond range, for example, very short pulses can be achieved. Due to the ultra-fast pulse width modulation of the individual surface-emitting semiconductor laser elements, the matrix-like light can also be captured by conventional cameras. This is particularly important when used in autonomous vehicles gene, for example, if the car headlights are used to illuminate the road, an advantage.
  • the optoelectronic semiconductor component 15 can be used as a general lighting device or a display device such as a video wall. Since the surface-emitting semiconductor laser elements 105, for example when they are embodied as VCSEL elements, can be driven very quickly due to the short charge carrier lifetime, a high multiplex factor is possible, ie operation in lines and rows. Accordingly, the optoelectronic semiconductor component 15 can also be applied to passive matrix concepts with a large number of pixels.

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Abstract

Ein Halbleiterlaser (10) umfasst ein oberflächenemittierendes Halbleiterlaserelement (105) und einen Konverter (210), der geeignet ist, eine Wellenlänge der von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelement (105) emittierten Laserstrahlung (115) zu konvertieren. Der Konverter (210) ist räumlich getrennt von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelement (105) angeordnet.

Description

HALBLEITERLASER, HALBLEITERLASERVORRICHTUNG UND OPTOELEKTRONISCHES HALBLEITERBAUELEMENT
BESCHREIBUNG
Oberflächenemittierende Halbleiterlaser werden als Leuchtquelle mit sehr hoher Leuchtdichte weitverbreitet eingesetzt. Generell werden Anstrengungen unternommen, oberflächenemittierende Halbleiterlaser auf GaN-Basis weiter zu entwickeln.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbes serten Halbleiterlaser, eine verbesserte Halbleiterlaservorrichtung sowie ein verbessertes optoelektronisches Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen.
Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß Ausführungsformen umfasst ein Halbleiterlaser ein ober flächenemittierendes Halbleiterlaserelement und einen Konver ter, der geeignet ist, eine Wellenlänge der von dem oberflä chenemittierenden Halbleiterlaserelement emittierten Laser strahlung zu konvertieren. Der Konverter ist räumlich getrennt von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelement ange ordnet.
Beispielsweise ist der Konverter beabstandet zu einer ersten Emissionsoberfläche des oberflächenemittierenden Halbleiterla serelements angeordnet. Ein Abstand zwischen dem Konverter und der ersten Emissionsoberfläche des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelements kann beispielsweise größer als 500 gm, beispielsweise größer als 1 mm sein. Gemäß Ausführungsformen ist die erste Emissionsoberfläche des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelements parallel zu einer zweiten Emissionsoberfläche des Konverters. Gemäß weite ren Ausführungsformen kann die erste Emissionsoberfläche des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelements auch nicht parallel zu einer zweiten Emissionsoberfläche des Konverters sein.
Der Halbleiterlaser kann ferner einen Träger für den Konverter aufweisen, wobei der Träger ein wärmeleitfähiges Material um fasst.
Ein Träger, der zwischen dem oberflächenemittierenden Halb leiterlaserelement und dem Konverter angeordnet ist, kann bei spielsweise geeignet sein, Anteile der emittierten Laserstrah lung mit einer bestimmten Wellenlänge durchzulassen und andere Anteile zu reflektieren.
Der Halbleiterlaser kann ferner ein Umlenkelement für die emittierte Laserstrahlung aufweisen, das zwischen oberflächen emittierendem Halbleiterlaserelement und Konverter angeordnet ist. Beispielsweise kann das Umlenkelement ein wellenlängense lektives Element umfassen.
Gemäß Ausführungsformen kann das Umlenkelement einen wellen längenselektiven Strahlteiler umfassen, der geeignet ist, An teile der emittierten Laserstrahlung mit einer bestimmten Wel lenlänge zu dem Konverter zu reflektieren und andere Anteile durchzulassen .
Der Halbleiterlaser kann weiterhin ein erstes optisches Ele ment zwischen der ersten Emissionsoberfläche und dem Konverter aufweisen . Der Halbleiterlaser kann ferner ein zweites optisches Element über einer zweiten Emissionsoberfläche des Konverters aufwei sen.
Eine Halbleiterlaservorrichtung weist eine Anordnung einer Vielzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelementen und einen Konverter auf, der geeignet ist, eine Wellenlänge einer von einem der oberflächenemittierenden Halbleiterla serelementen emittierten Laserstrahlung zu konvertieren. Der Konverter ist räumlich getrennt von der Anordnung von oberflä chenemittierenden Halbleiterlaserelementen angeordnet.
Die Halbleiterlaservorrichtung kann ferner eine Vielzahl von ersten optischen Elementen zwischen einer ersten Emissions oberfläche der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelemen te und dem Konverter aufweisen, wobei jedes der ersten opti schen Elemente jeweils einem der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelemente zugeordnet ist.
Die Halbleiterlaservorrichtung kann weiterhin eine Vielzahl von zweiten optischen Elementen über einer zweiten Emissions oberfläche des Konverters aufweisen, wobei jedes der zweiten optischen Elemente jeweils einem der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelemente zugeordnet ist.
Beispielsweise kann die Vielzahl von zweiten optischen Elemen ten bei einem anderen Abstand zu benachbarten zweiten opti schen Elementen als die Vielzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelementen angeordnet sein.
Gemäß Ausführungsformen kann der Konverter eine Anordnung ei ner Vielzahl von Konversionsbereichen aufweisen. Beispielswei se können optische Trennelemente zwischen den Konversionsbe reichen angeordnet sein. Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement umfasst die Halb leiterlaservorrichtung wie vorstehend beschrieben. Beispiels weise kann das optoelektronisches Halbleiterbauelement aus ei ner KFZ-Beleuchtung, einer allgemeinen Beleuchtungsvorrichtung oder einer Anzeigevorrichtung ausgewählt sein.
Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Aus führungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschau lichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Be schreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittel bar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht not wendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entsprechen de Elemente und Strukturen.
Fig. 1A zeigt eine schematische Ansicht einer Halbleiterlaservor richtung gemäß Ausführungsformen.
Fig. 1B zeigt eine weitere Ansicht einer Halbleiterlaservorrichtung gemäß Ausführungsformen.
Fig. IC zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines oberflä chenemittierenden Halbleiterlaserelements.
Die Fig. 2A bis 2E veranschaulichen weitere schematische Ansichten von Halbleiterlaservorrichtungen gemäß Ausführungsformen.
Die Fig. 3A und 3B veranschaulichen weitere schematische Ansichten von Halbleiterlaservorrichtungen gemäß Ausführungsformen.
Fig. 3C zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Konverters. Die Fig. 4A bis 4C veranschaulichen schematische Ansichten von Halb leiterlaservorrichtungen gemäß Ausführungsformen.
Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht eines optoelektronischen Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsformen.
In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie "Oberseite", "Boden", "Vorder seite", "Rückseite", "über", "auf", "vor", "hinter", "vorne", "hinten" usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Fi guren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.
Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschrän kend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Be reich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.
Die Begriffe "Wafer" oder "Halbleitersubstrat", die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halb leiteroberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halbleiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basis unterlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Bei spielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermate- rial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleiter material, beispielsweise einem GaAs-Substrat, einem GaN- Substrat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Material, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein.
Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direk ten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Bei spiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung beson ders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultra violettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, A1N, AlGaN, AlGalnN, Al- GalnBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispiels weise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP, sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga2Ü3, Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variieren. Weitere Bei spiele für Halbleitermaterialien können Silizium, Silizium- Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halbleiter" auch organische Halbleitermaterialien ein.
Der Begriff „Substrat" umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.
Der Begriff "vertikal", wie er in dieser Beschreibung verwen det wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentli chen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann bei spielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen. Die Begriffe "lateral" und "horizontal", wie in dieser Be schreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrich tung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder ei nes Chips (Die) sein.
Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.
Üblicherweise kann die Wellenlänge von einem Halbleiterla serelement emittierter elektromagnetischer Strahlung unter Verwendung eines Konvertermaterials, welches einen Leuchtstoff oder Phosphor enthält, konvertiert werden. Beispielsweise kann weißes Licht durch eine Kombination eines Halbleiterlaserele ments, das blaues Licht emittiert, mit einem geeigneten Leuchtstoff erzeugt werden. Beispielsweise kann der Leucht stoff ein gelber Leuchtstoff sein, der, wenn er durch das Licht des blauen Halbleiterlaserelements angeregt wird, geeig net ist, gelbes Licht zu emittieren. Der Leuchtstoff kann bei spielsweise einen Teil der von dem Halbleiterlaserelement emittierten elektromagnetischen Strahlung absorbieren. Die Kombination von blauem und gelbem Licht wird als weißes Licht wahrgenommen. Durch Beimischen weiterer Leuchtstoffe, die ge eignet sind, Licht einer weiteren, beispielsweise einer roten Wellenlänge, zu emittieren, kann die Farbtemperatur geändert werden. Gemäß weiteren Konzepten kann weißes Licht durch ein blau emittierendes Halbleiterlaserelement in Kombination mit einem grünen und roten Leuchtstoff erzeugt werden. Es ist selbstverständlich, dass ein Konvertermaterial mehrere ver schiedene Leuchtstoffe, die jeweils unterschiedliche Wellen längen emittieren, umfassen kann. Beispiele für Leuchtstoffe sind Metalloxide, Metallhalide, Me tallsulfide, Metallnitride und andere. Diese Verbindungen kön nen darüber hinaus Zusätze enthalten, die dazu führen, dass spezielle Wellenlängen emittiert werden. Beispielsweise können die Zusätze Seltenerdmaterialien umfassen. Als Beispiel für einen gelben Leuchtstoff kann YAG:Ce3+ (mit Cer aktivierter Yttrium Aluminium Granat (Y3AI5O12) ) oder (Sri.7Bao.2Euo.i)S1O4 verwendet werden. Weitere Leuchtstoffe können auf MSiC>4:Eu2+, worin M Ca, Sr oder Ba sein kann, basieren. Durch Auswahl der Kationen mit einer angemessenen Konzentration kann eine er wünschte Konversionswellenlänge ausgewählt werden. Viele wei tere Beispiele von geeigneten Leuchtstoffen sind bekannt.
Gemäß Ausführungsformen kann das Leuchtstoffmaterial, bei spielsweise ein Leuchtstoffpulver, in ein geeignetes Matrixma terial eingebettet sein. Beispielsweise kann das Matrixmateri al eine Harz- oder Polymerzusammensetzung wie beispielsweise ein Silikon- oder ein Epoxidharz umfassen. Die Größe der Leuchtstoffteilchen kann beispielsweise in einem Mikrometer oder Nanometerbereich liegen.
Gemäß weiteren Ausführungen kann das Matrixmaterial ein Glas umfassen. Beispielsweise kann das Konvertermaterial durch Sin tern des Glases, beispielsweise S1O2 mit weiteren Zusätzen und Leuchtstoffpulver gebildet werden, unter Bildung eines Leucht stoffs im Glas (PiG).
Gemäß weiteren Ausführungen kann das Leuchtstoffmaterial selbst unter Ausbildung einer Keramik gesintert werden. Bei spielsweise kann als Ergebnis des Sinterprozesses der kerami sche Leuchtstoff eine polykristalline Struktur haben. Gemäß weiteren Ausführungen kann das Leuchtstoffmaterial unter Ausbildung eines einkristallinen Leuchtstoffs gewachsen wer den, beispielsweise unter Verwendung des Czochralski (Cz-) Verfahrens .
Gemäß weiteren Ausführungen kann das Leuchtstoffmaterial selbst ein Halbleitermaterial sein, das im Volumen oder in Schichten eine geeignete Bandlücke zur Absorption der von dem Halbleiterlaserelement emittierten Strahlung und zur und der Emission der gewünschten Konversionswellenlänge aufweist. Ins besondere kann es sich hierbei um ein epitaktisch gewachsenes Halbleitermaterial handeln. Beispielsweise kann das epitak tisch gewachsene Halbleitermaterial eine Bandlücke haben, die einer geringeren Energie als der des primär emittierten Lichts entspricht. Weiterhin können mehrere geeignete Halbleiter schichten, die jeweils Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, übereinander gestapelt sein. Ein oder mehrere Quantentröge bzw. Quantentöpfe, Quantenpunkte oder Quanten drähte können in dem Halbleitermaterial gebildet sein.
Fig. 1A zeigt eine schematische Ansicht eines Halbleiterlasers 10 oder einer Halbleiterlaservorrichtung 11. Der Halbleiterlaser 10 um fasst ein oberflächenemittierendes Halbleiterlaserelement 105 und einen Konverter 210. Der Konverter 210 ist geeignet, eine Wellenlän ge der von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelement 105 emittierten Laserstrahlung 115 zu konvertieren. Der Konverter 210 ist räumlich getrennt von dem oberflächenemittierenden Halbleiterla serelement 105 angeordnet. Gemäß Ausführungsformen weist eine Halb leiterlaservorrichtung 11 eine Vielzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelementen 105 und einen Konverter auf. Der Konverter ist geeignet, eine Wellenlänge einer von einem der oberflächenemit tierenden Halbleiterlaserelementen 105 emittierten Laserstrahlung 115 zu konvertieren. Dabei ist der Konverter 210 räumlich getrennt von der Anordnung von oberflächenemittierenden Halbleiterlaserele menten 105 angeordnet. Nachfolgend werden Komponenten des Halb- leiterlasers 10 oder der Halbleiterlaservorrichtung 11 unter Bezug nahme auf einen Halbleiterlaser beschrieben. Es ist klar, dass die in Bezug auf den Halbleiterlaser beschriebenen Elemente auch auf die Halbleiterlaservorrichtung 11 anwendbar sind, sofern nichts Gegen teiliges beschrieben wird.
Das in Fig. 1A dargestellte oberflächenemittierende Halbleiterla serelement kann beispielsweise ein VCSEL ( "Vertical Cavity Surface Emitting Laser") mit vertikalem optischem Resonator sein. Ein Bei spiel für einen Schichtaufbau ist in Fig. IC gezeigt. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das oberflächenemittierende Halbleiterla serelement aber auch ein HCSEL („Horizontal Cavity Surface Emitting Laser"), d.h. ein oberflächenemittierendes Laserelement mit horizon talem optischen Resonator oder ein PCSEL („Photonic Crystal Surface Emitting Laser"), d.h. ein oberflächenemittierendes Laserelement mit photonischem Kristall sein. Die Halbleiterschichten des oberflächen emittierenden Halbleiterlaserelements 105 können monolithisch in ei nem Lasersubstrat 100 ausgebildet sein. Gemäß weiteren Ausführungs formen können sie aber auch nach Ausbildung in einem Wachstumssub strat einzeln auf einem neuen Träger 102 aufgebracht werden. Bei spielsweise kann der neue Träger von dem Wachstumssubstrat verschie den sein und ein Si- oder ein CMOS-Substrat sein.
Gemäß Ausführungsformen ist das Lasersubstrat 100 über einem ersten Träger 102 ausgebildet. Beispielsweise kann in dem ersten Träger 102 eine Ansteuerelektronik 120 zum Ansteuern der oberflächenemittieren den Halbleiterlaserelemente 105 vorgesehen sein.
Ein erstes optisches Element 125 kann vorgesehen sein, um beispiels weise die emittierte Laserstrahlung zu fokussieren und/oder kolli- mieren. Wie in Fig. 1A dargestellt ist, kann für jedes oberflächen emittierende Halbleiterlaserelement 105 ein erstes optisches Element 125 vorgesehen sein. Gemäß weiteren Ausführungsform kann aber auch ein erste optisches Element 125 für eine Vielzahl von oberflächen emittierenden Halbleiterlaserelementen 105 vorgesehen sein. Der Konverter 210 kann beispielsweise auf einem zweiten Träger 200 aufgebracht sein. Beispielsweise kann der zweite Träger 200 eine Wärmesenke darstellen und aus einem Material mit einer hohen Wärme leitfähigkeit aufgebaut sein. Beispielsweise kann der zweite Träger 200 ein Metall, beispielsweise Kupfer oder eine Keramik umfassen.
Die von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelement 105 emittierte Laserstrahlung 115 trifft auf den Konverter 210. Dabei wird die Wellenlänge der Laserstrahlung 115 umgewandelt und konver tierte Laserstrahlung 215 wird emittiert. Beispielsweise kann bei der Halbleiterlaseranordnung 11 von Fig. 1A ein Konverter 210 für eine Vielzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelementen 105 vorgesehen sein.
Der Konverter 210 wirkt dabei als Lambert'scher Strahler, der bei spielsweise die konvertierte Laserstrahlung 215 in alle Raumrichtun gen emittieren kann. Die konvertierte Laserstrahlung 215 wird über eine zweite Emissionsoberfläche 211 ausgegeben. Wie in Fig. 1A dar gestellt ist, kann beispielsweise die zweite Emissionsoberfläche 211 nicht parallel zur ersten Emissionsoberfläche 103 sein. Entsprechend findet eine Umlenkung der Laserstrahlung statt. Gemäß weiteren Aus führungsformen kann die erste Emissionsoberfläche 103 auch beab- standet zur zweiten Emissionsoberfläche 210 angeordnet sein. Bei spielsweise kann ein kleinster Abstand d zwischen der ersten Emissi onsoberfläche 103 und dem Konverter 210 mehr als 500 gm, beispiels weise 1 mm oder mehr betragen.
Fig. 1B zeigt eine schematische Ansicht eines Halbleiterlasers gemäß weiteren Ausführungsformen. Zusätzlich zu den in Fig. 1A dargestell ten Elementen weist der Halbleiterlaser 10 oder die Halbleiterlaser vorrichtung 11 ferner ein zweites optisches Element 225 über der zweiten Emissionsoberfläche 211 auf. Beispielsweise kann das zweite optische Element 225 eine Linse sein, die geeignet ist, konvertierte Laserstrahl 215 zu kollimieren. Jedes optische Element 225 ist je weils einem Halbleiterlaserelement 105 zugeordnet.
Durch das zweite optische Element 225 wird die emittierte Laser strahlung 115 auf einen kleinen Fleck innerhalb des Konverters 210 fokussiert. Beispielsweise kann dies besonders gut erfolgen, wenn die emittierte Laserstrahlung 115 durch das erste optische Element 125 kollimiert worden ist. Da die emittierte Laserstrahlung 115 kol- limiert ist und eine Fokussierung der emittierten Laserstrahlung 115 in den Konverter erfolgt, kann das abgestrahlte weiße Licht durch das zweite optische Element 225 besonders gut kollimiert werden.
In den Ausführungsformen der Fig. 1A und 1B ist jeweils ein Konver ter 210 für mehrere oberflächenemittierende Halbleiterlaserelemente 105 vorgesehen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann jedoch auch für jedes oberflächenemittierende Halbleiterlaserelement 105 ein se parater Konverter vorgesehen sein.
Fig. IC zeigt ein Beispiel eines oberflächenemittierenden Laserele ments 105 gemäß Ausführungsformen. Das oberflächenemittierende La serelement 105 weist einen ersten Resonatorspiegel 135, einen zwei ten Resonatorspiegel 140 sowie einen optischen Resonator 159 zwi schen dem ersten Resonatorspiegel 135 und dem zweiten Resonatorspie gel 140 auf. Der optische Resonator 159 erstreckt sich in vertikaler Richtung. Der erste Resonatorspiegel 135 kann alternierend ge stapelte erste Schichten einer ersten Zusammensetzung und zweite Schichten einer zweiten Zusammensetzung aufweisen. Bei spielsweise können bei Verwendung dielektrischer Schichten diese abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n>l,7) und einen niedrigen Brechungsindex (n<l,7) haben und als Bragg-Reflektor ausgebildet sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der erste Resonatorspiegel 135 auch Halbleiterschichten aufweisen. In diesem Fall können abwechselnd Halbleiterschichten mit ei nem hohen Brechungsindex (n>3,3) und Halbleiterschichten mit einem niedrigen Brechungsindex (n<3,3) angeordnet sein. Bei spielsweise kann die Schichtdicke l/4 oder ein Mehrfaches von l/4 betragen, wobei l die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts angibt. Der erste Resonatorspiegel 135 kann beispiels weise 2 bis 50 unterschiedliche Schichten aufweisen. Eine ty pische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 90 nm, beispielsweise etwa 50 nm betragen. Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthal ten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind. Beispielsweise kann der erste Resonatorspiegel 135 ein Gesamtreflexionsvermögen von 99,8% oder mehr für die La serstrahlung haben.
Schichten des ersten Resonatorspiegels 135 können beispiels weise mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise n- leitend, dotiert sein. Über dem ersten Resonatorspiegel 135 kann eine erste Halbleiterschicht 145 von einem ersten Leitfä higkeitstyp, beispielsweise n-leitend angeordnet sein. Weiter hin kann der Halbleiterschichtstapel eine zweite Halbleiter schicht 150 von einem zweiten Leitfähigkeitstyp, beispielswei se p-leitend aufweisen. Eine aktive Zone 155 kann zwischen der ersten Halbleiterschicht 145 und der zweiten Halbleiterschicht 150 angeordnet sein.
Die aktive Zone 155 kann beispielsweise einen pn-Übergang, ei ne Doppelheterostruktur, eine Einf ach-Quantentopf-Struktur (SQW, single quantum well) oder eine Mehrfach-Quantentopf- Struktur (MQW, multi quantum well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Bezeichnung „Quantentopf-Struktur" entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten. Eine geeignete isolierende Schicht 158 erstreckt sich jeweils vom Rand des Halbleiterlaserelements 105 in Rich tung der Mitte des Halbleiterlaserelements 105, so dass im zentralen Bereich ein leitender Bereich verbleibt. Durch die Bereiche der isolierenden Schicht 158 wird eine Apertur 156 zur Stromführung ausgebildet. Die erste Halbleiterschicht 145 ist über ein erstes Kontaktelement 142 elektrisch anschließ bar, die zweite Halbleiterschicht 150 ist über ein zweites Kontaktelement 143 elektrisch anschließbar. Die erste und die zweite Halbleiterschicht 145, 150 sowie Schichten der aktiven Zone 150 können jeweils GaN oder ein GaN-haltiges Verbindungshalbleitermaterial enthalten. Bei spielsweise kann eine Frequenz der emittierten Laserstrahlung in einem Bereich von 400 bis 470 nm liegen. Fig. IC stellt ein veranschaulichendes Beispiel für ein oberflächenemittierendes Halbleiterlaserelement 105 dar. Es ist selbstverständlich, dass Komponenten des oberflächenemittierenden Halbleiterla serelements 105 modifiziert werden können. Gemäß weiteren Aus führungsformen kann das oberflächenemittierende Halbleiterla serelement 105 auch in anderer Weise realisiert sein. Bei spielsweise kann das oberflächenemittierende Halbleiterla serelement 105 auch als HCSEL („Horizontal Cavity Surface Emitting Laser"), d.h. als oberflächenemittierender Laser mit horizontalem Resonator realisiert sein. Alternativ kann das oberflächenemittierende Halbleiterlaserelement 105 auch als PCSEL („Photonic Crystal Surface Emitting Laser"), d.h. Halb leiterlaser, bei dem beispielsweise anstelle von Resonator spiegeln ein photonischer Kristall vorgesehen ist, realisiert sein.
Fig. 2A zeigt eine Halbleiterlaseranordnung gemäß weiteren Ausfüh rungsformen. Abweichend von Ausführungsformen, die in den Fig. 1A und 1B dargestellt sind, ist hier die erste Emissionsoberfläche 103 parallel zu der zweiten Emissionsoberfläche 211. Die von dem Halb leiterlaserelement 105 emittierte Laserstrahlung 115 tritt über eine von der zweiten Emissionsoberfläche 211 abgewandte Seite des Konver ters 210 in den Konverter 210 ein. Die konvertierte Laserstrahlung 215 wird über die zweite Emissionsoberfläche 211 emittiert. Bei spielsweise kann ein optisches Element 225 zur Kollimierung der La serstrahlung vorgesehen sein. Als Ergebnis wird von dem Halbleiter laser 10 oder der Halbleiterlaservorrichtung 11 kollimierte Strah lung 216 ausgegeben. Gemäß Ausführungsformen kann der Konverter 210 über einem zweiten Träger 200 aufgebracht sein. Beispielsweise kann der zweite Träger 200 aus einem wärmeleitfähigen Material aufgebaut sein und somit ei ne Abkühlung des Konverters bewirken. Beispielsweise kann der Träger 200 eine transparente Keramik oder Saphir umfassen. Der Träger 200 kann beispielsweise ein wellenlängenselektives Transmissionsvermögen haben. Beispielsweise kann er selektiv blaues Licht durchlassen und Licht mit einer höheren Wellenlänge reflektieren.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auf der von der zweiten Emis sionsoberfläche 211 abgewandten Seite des Konverters 210 ein weite rer Filter vorgesehen sein, der die emittierte Laserstrahlung 115 durchlässt und längerwellige Strahlung reflektiert. Beispielsweise kann der zweite Träger 200 aus einem entsprechenden Filtermaterial aufgebaut sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auch eine ent sprechende Filterschicht auf dem zweiten Träger 200 aufgebracht sein. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die von den oberflä chenemittierenden Halbleiterlaserelementen 105 emittierte Strahlung, die als Pumpstrahlung wirkt, zu einem großen Anteil durchgelassen wird. Konvertierte Strahlung, die beispielsweise vom Konverter in Richtung der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelemente 105 abgestrahlt wird, wird in Richtung der zweiten Emissionsoberfläche 211 reflektiert. Gemäß Ausführungsformen kann der Abstand d zwischen der ersten Emissionsoberfläche 103 und dem Konverter 210 auch klei ner als 500 pm sein. Beispielsweise kann der zweite Träger 200 di rekt an die erste Emissionsoberfläche 103 angrenzen. Die räumliche Trennung zwischen Konverter 210 und dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelement kann sich durch den zweiten Träger 200, der zwischen Konverter 210 und dem oberflächenemittierenden Halbleiter laserelement 105 angeordnet ist, ergeben.
Fig. 2B zeigt eine Ansicht eines Halbleiterlasers 10 oder einer Halbleiterlaservorrichtung 11 gemäß weiteren Ausführungsformen. Ab weichend von den beispielsweise in den Fig. 1A und 1B dargestellten Ausführungsformen ist hier zusätzlich ein Umlenkelement 128 zwischen dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelement 105 und dem Kon verter 210 vorgesehen. Gemäß Ausführungsformen kann das Umlenkele- ment ein Spiegel oder ein reflektierender Film sein. Beispielsweise kann das Umlenkelement 128 einen Film enthalten, der einen kleinen Wellenlängenbereich reflektiert. Zum Beispiel kann er genau die Wel lenlänge der emittierten Laserstrahlung 115 reflektieren. Elektro magnetische Strahlung mit einer anderen Wellenlänge wird beispiels weise durch das Umlenkelement 128 nicht reflektiert. Gemäß Ausfüh rungsformen kann das Umlenkelement 128 holographische Elemente um fassen, wodurch die emittierte Laserstrahlung 115 in Richtung des Konverters 210 abgelenkt wird. Das Umlenkelement 128 kann derart ausgerichtet und aufgestellt sein, dass die reflektierte Strahlung 117 senkrecht oder in geneigter Richtung zu einer Oberfläche des Um lenkelements 128 reflektiert wird.
Weitere Elemente des Halbleiterlasers 10 oder der Halbleiterlaser vorrichtung 11 sind wie unter Bezugnahme auf die Fig. 1A bis 2A dis kutiert.
Fig. 2C zeigt einen Halbleiterlaser 10 oder eine Halbleiterlaservor richtung 11 gemäß weiteren Ausführungsformen. Abweichend von Ausfüh rungsformen, die in Fig. 2B dargestellt sind, wird hier die reflek tierte Laserstrahlung 117 nicht senkrecht zu einer Oberfläche des Umlenkelements 128 reflektiert, sondern unter einem geneigten Win kel. Auf diese Weise ist es möglich, eine andere Abstrahlcharakte ristik zu erhalten.
Gemäß Ausführungsformen, die in Fig. 2D dargestellt sind, kann das Umlenkelement 128 räumlich nur teilweise mit dem Konverter 210 oder gar nicht mit dem Konverter 210 überlappen. In Fig. 2D ist das Um lenkelement 128 derart angeordnet, dass die reflektierte Laserstrah lung 117 von dem Umlenkelement 128 in Richtung des Konverters 210 reflektiert wird. Dadurch, dass das Umlenkelement 128 nur teilweise oder gar nicht mit dem Konverter 210 überlappt, kann von dem Konver ter 210 emittierte Strahlung senkrecht zu einer Emissionsoberfläche 211 emittiert werden, ohne erneut auf das Umlenkelement 128 zu tref fen. Weitere Komponenten des Halbleiterlasers 10 oder der Halb leiterlaservorrichtung 11 sind wie unter Bezugnahme auf Fig. 2C be schrieben. Gemäß weiteren Ausführungsformen, die in Fig. 2E dargestellt sind, kann das Umlenkelement 128 nicht parallel zu einer ersten Emissions oberfläche 103 ausgerichtet sein. Beispielsweise kann hier eine re flektierende Oberfläche des Umlenkelements 128 ein Winkel a, der größer als 0° ist, mit der ersten Emissionsoberfläche 103 einschlie ßen. Auf diese Weise kann elektromagnetische Strahlung 115, die auf das Umlenkelement 128 eintrifft, in Richtung des Konverters 210 ab gelenkt werden. Das Umlenkelement 128 überlappt gemäß Ausführungs formen, die in Fig. 2E dargestellt sind, nicht mit dem Konverter 210. Entsprechend kann konvertierte Laserstrahlung 215, die über die zweite Emissionsoberfläche 211 emittiert wird, den Halbleiterlaser
10 oder die Halbleiterlaservorrichtung 11 verlassen, ohne erneut auf das Umlenkelement 128 zu treffen.
Fig. 3A zeigt eine schematische Ansicht einer Halbleiterlaservor richtung 11 gemäß Ausführungsformen. Die Halbleiterlaservorrichtung
11 weist eine Vielzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterla serelementen 105 und einen Konverter auf. Der Konverter ist geeig net, eine Wellenlänge einer von einem der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelementen 105 emittierten Laserstrahlung 115 zu kon vertieren. Dabei ist der Konverter 210 räumlich getrennt von der An ordnung von oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelementen 105 angeordnet. Wie in Fig. 3A dargestellt ist, kann eine Vielzahl von zweiten optischen Elementen 225 über der zweiten Emissionsoberfläche 211 des Konverters 210 angeordnet sein. Weiterhin kann eine Vielzahl von ersten optischen Elementen 125 über einer ersten Emissionsober fläche 103 angeordnet sein. Da die Laserstrahlung 115, die von den einzelnen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelementen 105 emittiert wird, durch die ersten optischen Elemente 125 kollimiert wird, ist es möglich, die reflektierte Laserstrahlung 117 durch die zweiten optischen Elemente 225 jeweils auf einen einzelnen Punkt zu fokussieren, der beispielsweise ein virtuelles Bildelement 205 dar stellen kann. Die Laserstrahlung wird daraufhin über die zweite Emissionsoberfläche 211 als konvertierte Laserstrahlung 215 emit tiert. Die Laserstrahlung kann über das zweite optische Element 225 sehr gut kollimiert werden, so dass als Ergebnis kollimierte Strah- lung 216 ausgegeben wird. Wie in Fig. 3A veranschaulicht ist, wirkt gemäß Ausführungsformen die kollimierte Strahlung 216 so, als wären die einzelnen Strahlen von einzelnen virtuellen Bildelementen 205 emittiert worden, obwohl der Konverter 210 flächig ausgeführt ist.
Gemäß Ausführungsformen kann die Halbleiterlaservorrichtung 11 wei terhin ein drittes optisches Element 126 zwischen der Anordnung von oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelementen 105 und dem Umlen kelement 128 aufweisen, wodurch beispielsweise der Abstand zwischen den einzelnen emittierten Laserstrahlen 117, die jeweils von den einzelnen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelementen 105 emittiert werden, verringert wird. Als Ergebnis ist es möglich, die virtuellen Bildelemente 205 oder die zweiten optischen Elemente 225 bei einem kleineren Abstand s als dem Abstand f zwischen den benach barten oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelementen 105 anzu ordnen. Beispielweise kann ein Abstand f zwischen den benachbarten oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelement 105 kleiner als 100 pm sein.
Das dritte optische Element 126 kann ein allgemeines optisches Ele ment zur Verkleinerung oder Vergrößerung des Abstands zwischen den von den einzelnen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelementen 105 emittierten Laserstrahlen sein. Die schließlich emittierte kol limierte Strahlung 216 ist optimal ausgerichtet.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann, wie in Fig. 3B dargestellt ist, anstelle eines planaren Umlenkelements 128 in Kombination mit einem dritten optischen Element 126, das Umlenkelement 128 selbst auch eine optische Wirkung, beispielsweise eine fokussierende oder zerstreuende Wirkung haben. Beispielsweise kann das Umlenkelement 128 als gekrümmter Reflektor ausgeführt sein. Als Ergebnis ist es wiederum möglich, den Abstand zwischen benachbarten emittierten La serstrahlen 115 und schließlich zwischen konvertierten kollimierten Strahlen 216 durch Reflexion zu verringern. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Lichtquelle mit geringem Strahldurchmesser rea lisiert werden. Fig. 3C zeigt eine Ansicht eines Konverters 210, bei dem zwischen benachbarten Konversionsbereichen 212 ein optisches Trennelement 220 vorgesehen ist. Beispielsweise kann das optische Trennelement 220 ein Metall oder sehr gut reflektierende Pigmente, beispielsweise TiO-Pigmente enthalten. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das optische Trennelement 220 auch absorbierend sein und beispielsweise Kohlenstoff enthalten. Auf diese Weise kann Nebensprechen zwischen benachbarten virtuellen Bildelementen 205 weiter verringert werden.
Durch Ausführungsformen, die vorstehend beschrieben worden sind, ist es möglich, eine thermische Trennung von Konverter 210 und Licht quelle zu erreichen. Insbesondere kann im Vergleich zu Anordnungen, bei denen der Konverter 210 direkt über dem Lichtemissionsbereich angeordnet ist, eine effiziente thermische Trennung erfolgen. Als Ergebnis wird der Lichtemissionsbereich nicht durch das Aufheizen des Konverters 210 mit aufgeheizt. Insbesondere, wenn eine Ansteuer elektronik 120 in dem Lasersubstrat 100 oder dem ersten Träger 102 vorhanden ist, kann eine Erwärmung der Ansteuerelektronik 120 durch Erwärmung des Konverters 210 vermieden werden. Als Ergebnis werden die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit des Halbleiterlasers 10 oder der Halbleiterlaservorrichtung 11 erhöht.
Aufgrund der Verwendung von beispielsweise GaN-basierten oberflä chenemittierenden Halbleiterlaserelementen findet eine konzentrierte Lichterzeugung statt. Als Ergebnis findet kein Nebensprechen zwi schen benachbarten Bildelementen statt. Als Ergebnis kann die Effi zienz des Halbleiterlasers erhöht werden. Weiterhin ist eine Minia turisierung der Halbleiterlaservorrichtung möglich, ohne dass die Effizienz verringert wird.
Wenn beispielsweise kollimierte Laserstrahlung verwendet wird, wird im Konverter 210 ein fokussierter Spot erzeugt. Auch hierdurch kann das Nebensprechen zu benachbarten Bildelementen verhindert werden. Dadurch, dass die reflektierte Laserstrahlung 117 auf einen Punkt innerhalb des Konverters 210 fokussiert wird und ein vergleichsweise großer Abstand zu benachbarten virtuellen Bildelementen 205 vor liegt, ist es möglich, dass das zweite optische Element 225 die ab- gestrahlte Laserstrahlung kollimiert. Als Ergebnis können Pixelgrö ßen von <100 gm effizient verwirklicht werden.
Beispielsweise beträgt der Abstand s zwischen benachbarten virtuel len Bildelementen 205 weniger als 100 gm, beispielsweise kleiner als 40 gm oder sogar kleiner als 10 gm. Als Ergebnis kann eine hohe Leuchtdichte erreicht werden. Dabei ist im Vergleich zu einer Vor richtung unter Verwendung von LEDs die Leistung auf sehr kleine Pi xelgrößen begrenzt. Als Ergebnis werden höhere Leuchtdichten pro Bildelement erreicht.
Beispielsweise kann die von einem Halbleiterlaser emittierte Leis tung mehr als das 10-fache der Leistung, die von einer GaN-LED emit tiert wird, betragen. Aus diesem Grunde kann eine mit der Helligkeit einer GaN-LED vergleichbare Helligkeit erreicht werden, wenn der Halbleiterlaser nur zu einem Zehntel der Betriebszeit der GaN-LED betrieben wird. Beispielsweise kann der Halbleiterlaser gepulst be trieben werden, so dass er nur in einem Verhältnis von 1/k einge schaltet ist, wobei k einen Wert zwischen 10 und 100 einnehmen kann. Aufgrund der wesentlich verkürzten Ladungslebensdauer im Laser im stimulierten Bereich kann der Halbleiterlaser sehr schnell geschal tet werden. Entsprechend kann er ultraschnell (im Nanosekundenbe- reich) über Pulsweitenmodulation angesteuert werden. Ein hoher Dim- mingbereich kann erzeugt werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Umlenkelement auch als Strahlteiler realisiert werden. Fig. 4A zeigt ein Beispiel eines Halbleiterlasers oder einer Halbleiterlaservorrichtung, bei dem die emittierte Laserstrahlung 115 über einen Strahlteiler 130 in Rich tung des Konverters 210 reflektiert wird. Beispielsweise kann der Strahlteiler 130 geeignet sein, eine wellenlängenabhängige Reflexion zu verwirklichen. Beispielsweise kann der Strahlteiler 130 aus schließlich die Emissionswellenlänge des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelements reflektieren. Die weiteren Komponenten des Halbleiterlasers oder der Halbleiterlaservorrichtung 11 in Fig. 4A sind identisch zu denen, die in den Fig. 1A bis 3C beschrieben wor den sind. Üblicherweise variiert die Emissionswellenlänge von Halbleiterlasern mit der Temperatur. Bei VCSEL kann jedoch die Änderung der Emissi onswellenlänge auf weniger als 3 nm in einem Temperaturbereich von etwa 100 K beschränkt werden. Entsprechend sollte der Strahlteiler 130 derart eingerichtet sein, dass er einen Wellenlängenbereich von etwa 5 nm um eine Zielwellenlänge durchlässt. Beispielsweise lässt sich das durch eine entsprechend angepasste hochreflektierende Ver spiegelung erreichen.
Dadurch, dass der Strahlteiler 130 nur Laserstrahlung 115 in einem kleinen Wellenlängenbereich in Richtung des Konverters 210 reflek tiert, ist sichergestellt, dass der Strahlteiler 130 einen ver gleichsweise großen Anteil der von dem Konverter 210 konvertierten Laserstrahlung durchlässt. Auf diese Weise kann die abgestrahlte Leuchtdichte vergrößert werden. Da der Halbleiterlaser ein oberflä chenemittierendes Halbleiterlaserelement aufweist, dessen Emissions wellenlänge sehr schmalbandig und überdies temperaturstabil ist, ist es möglich eine über einen größeren Temperaturbereich gleichförmige Lichtquelle zu erhalten. Weiterhin kann das oberflächenemittierende Halbleiterlaserelement in günstiger Weise mit einem wellenlängense lektiven Umlenkelement, beispielsweise einem wellenlängenselektiven Strahlteiler kombiniert werden.
Beispielsweise kann hier - wie bei allen anderen Ausführungsformen auch - zwischen benachbarten Konversionsbereichen 212 ein optisches Trennelement 220 vorgesehen sein. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann der Konverter 210 auch flächig ohne Trennelemente 220 ausgebil det sein.
Fig. 4B zeigt eine Ansicht eines Halbleiterlasers 10 oder einer Halbleiterlaservorrichtung 11 gemäß weiteren Ausführungsformen. Zu sätzlich zu den Komponenten, die in Fig. 4A dargestellt sind, weist der Halbleiterlaser zusätzlich ein drittes optisches Element 126 auf. Durch dieses dritte optische Element 126 kann beispielsweise der Abstand zwischen benachbarten emittierten Laserstrahlen 115 ver- größert oder verkleinert werden, oder es können beliebige Abstrah lungsmuster erzeugt werden.
Gemäß Ausführungsformen kann auch hier wieder ein optisches Trenn element 220 zwischen benachbarten zweiten optischen Elementen 225 angeordnet sein, um benachbarte virtuelle Bildelemente 205 besser voneinander zu trennen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen können die ersten optischen Elemen te 125 und/oder die zweiten optischen Elemente 225 auch einstückig mit dem Strahlteiler 130 ausgebildet sein. Dies ist in Fig. 4C dar gestellt. Als Ergebnis kann ein besonders kompakter Aufbau des Halb leiterlasers oder der Halbleiterlaservorrichtung 11 erreicht werden. Die weiteren Komponenten des Halbleiterlasers oder der Halbleiterla servorrichtung 11 in Fig. 4A sind identisch zu denen, die in den Fig. 1A bis 3C beschrieben worden sind.
Beispielsweise können die oberflächenemittierenden Halbleiterla serelemente 105 geeignet sein, blaues Licht zu emittieren. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Licht, das von den oberflächen emittierenden Halbleiterlaserelementen emittiert wird, auch im UV- oder im nahen UV-Bereich liegen. Auf diese Weise können Verluste, die durch den Strahlteiler 130 verursacht werden, verringert werden.
Fig. 5A zeigt eine optoelektronische Vorrichtung 15 gemäß Ausfüh rungsformen. Das optoelektronische Halbleiterbauelement 15 weist die zuvor beschriebene Halbleiterlaservorrichtung 11 auf. Beispielsweise kann das optoelektronische Halbleiterbauelement eine Komponente der KFZ-Beleuchtung sein. In diesem Fall können einzelne Halbleiterla serelemente durch die Ansteuerelektronik 120 gezielt ein- und ausge schaltet werden. Durch die schnellen Schaltzeiten der oberflächen emittierenden Halbleiterlaserelemente, die sich beispielsweise im einstelligen Nanosekundenbereich bewegen, lassen sich sehr kurze Pulse erzielen. Aufgrund der ultraschnellen Pulsweitenmodulation der einzelnen oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelemente kann das matrixartige Licht auch von herkömmlichen Kameras erfasst werden. Dies ist insbesondere bei Verwendung in autonom fahrenden Fahrzeu- gen, beispielsweise, wenn die Autoscheinwerfer zur Fahrbahnausleuch tung verwendet werden, von Vorteil.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das optoelektronische Halblei terbauelement 15 als eine allgemeine Beleuchtungsvorrichtung oder eine Anzeigevorrichtung, beispielsweise eine Videowand eingesetzt werden. Da die oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelemente 105, beispielsweise wenn sie als VCSEL-Elemente ausgeführt sind, aufgrund der kurzen Ladungsträgerlebensdauer sehr schnell ansteuerbar sind, ist ein hoher Multiplexfaktor möglich, also der Betrieb in Zeilen und Reihen. Entsprechend ist das optoelektronische Halbleiterbauele ment 15 auch auf Passivmatrix-Konzepte mit sehr vielen Pixeln an wendbar.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und be schrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestaltungen ersetzt wer den können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin dis kutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Halbleiterlaser
11 Halbleiterlaservorrichtung
15 Optoelektronisches Halbleiterbauelement
100 Lasersubstrat
102 erster Träger
103 erste Emissionsoberfläche
105 oberflächenemittierendes Halbleiterlaserelement
115 emittierte Laserstrahlung
117 reflektierte Laserstrahlung
120 Ansteuerelektronik
125 erstes optisches Element
126 drittes optisches Element
128 Umlenkelement
130 Strahlteiler
135 erster Resonatorspiegel
140 zweiter Resonatorspiegel
142 erstes Kontaktelement
143 zweites Kontaktelement
145 erste Halbleiterschicht
150 zweite Halbleiterschicht
155 aktive Zone
156 Apertur
158 isolierendes Material
159 optischer Resonator
200 zweiter Träger
205 virtuelles Bildelement
210 Konverter
211 zweite Emissionsoberfläche
212 Konversionsbereich
215 konvertierte Laserstrahlung
216 kollimierte Strahlung
220 optisches Trennelement
225 zweites optisches Element

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Halbleiterlaser (10), umfassend: ein oberflächenemittierendes Halbleiterlaserelement (105); und einen Konverter (210), der geeignet ist, eine Wellen länge der von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserele ment (105) emittierten Laserstrahlung (115) zu konvertieren, wobei der Konverter (210) räumlich getrennt von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelement (105) angeord net ist.
2. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 1, wobei der Konver ter (210) beabstandet zu einer ersten Emissionsoberfläche (103) des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelements (105) angeordnet ist.
3. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 2, wobei ein Abstand zwischen dem Konverter (210) und der ersten Emissionsoberflä che (103) des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelements (105) größer als 500 pm ist.
4. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die erste Emissionsoberfläche (103) des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelements (105) parallel zu einer zweiten Emis sionsoberfläche (211) des Konverters (210) ist.
5. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die erste Emissionsoberfläche (103) des oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelements (105) nicht parallel zu einer zweiten Emissionsoberfläche (211) des Konverters (210) ist.
6. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche, ferner mit einem Träger (200) für den Konverter (210), wobei der Träger (200) ein wärmeleitfähiges Material umfasst.
7. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche, ferner mit einem Träger (200), der zwischen dem ober flächenemittierenden Halbleiterlaserelement (105) und dem Kon verter (210) angeordnet ist, wobei der Träger (200) geeignet ist, Anteile der emittierten Laserstrahlung (115) mit einer bestimmten Wellenlänge durchzulassen und andere Anteile zu re flektieren.
8. Halbleiterlaser (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner mit einem Umlenkelement (128) für die emittierte Laser strahlung (115), das zwischen oberflächenemittierendem Halb leiterlaserelement (105) und Konverter (210) angeordnet ist.
9. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 8 , wobei das Umlen kelement (128) ein wellenlängenselektives Element umfasst.
10. Halbleiterlaser (10) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das
Umlenkelement (128) einen wellenlängenselektiven Strahlteiler (130) umfasst, der geeignet ist, Anteile der emittierten La serstrahlung (115) mit einer bestimmten Wellenlänge zu dem Konverter (210) zu reflektieren und andere Anteile durchzulas sen.
11. Halbleiterlaser (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, ferner mit einem ersten optischen Element (125) zwischen der ersten Emissionsoberfläche (103) und dem Konverter (210).
12. Halbleiterlaser (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche, ferner mit einem zweiten optischen Element (225) über einer zweiten Emissionsoberfläche (211) des Konverters (210).
13. Halbleiterlaservorrichtung (11) mit einer Anordnung ei ner Vielzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlaserele menten (105); und einem Konverter (210), der geeignet ist, eine Wellen länge einer von einem der oberflächenemittierenden Halbleiter laserelementen (105) emittierten Laserstrahlung (115) zu kon vertieren, wobei der Konverter (210) räumlich getrennt von der Anordnung von oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelemen ten (105) angeordnet ist.
14. Halbleiterlaservorrichtung (11) nach Anspruch 13, fer ner mit einer Vielzahl von ersten optischen Elementen (125) zwischen einer Emissionsoberfläche (103) der oberflächenemit tierenden Halbleiterlaserelemente (105) und dem Konverter (210), wobei jedes der ersten optischen Elemente (125) jeweils einem der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelemente (105) zugeordnet ist.
15. Halbleiterlaservorrichtung (11) nach Anspruch 13 oder
14, ferner mit einer Vielzahl von zweiten optischen Elementen (225) auf einer zweiten Emissionsoberfläche (211) des Konver ters (210), wobei jedes der zweiten optischen Elemente (225) jeweils einem der oberflächenemittierenden Halbleiterlaserele mente (105) zugeordnet ist.
16. Halbleiterlaservorrichtung (11) nach Anspruch 15, wobei die Vielzahl von zweiten optischen Elementen (225) bei einem anderen Abstand zu benachbarten zweiten optischen Elementen (225) als die Vielzahl von oberflächenemittierenden Halb leiterlaserelementen (105) angeordnet ist.
17. Halbleiterlaservorrichtung (11) nach Anspruch 15 oder
16, wobei der Konverter (210) eine Anordnung einer Vielzahl von Konversionsbereichen (212) aufweist.
18. Halbleiterlaservorrichtung nach Anspruch 17, ferner mit optischen Trennelementen zwischen den Konversionsbereichen (212).
19. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (15) mit der Halbleiterlaservorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 13 bis 18.
20. Optoelektronisches Halbleiterbauelement (15) nach An spruch 19, das ausgewählt ist aus einer KFZ-Beleuchtung, einer allgemeinen Beleuchtungsvorrichtung oder einer Anzeigevorrich tung.
PCT/EP2022/063374 2021-05-19 2022-05-18 Halbleiterlaser, halbleiterlaservorrichtung und optoelektronisches halbleiterbauelement WO2022243344A1 (de)

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