WO2022248301A1 - Optoelektronisches bauelement und laser - Google Patents

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WO2022248301A1
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photonic crystal
layer
gain medium
optoelectronic component
quantum well
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Hubert Halbritter
Adrian Stefan Avramescu
Laura KREINER
Bruno JENTZSCH
Alvaro Gomez-Iglesias
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser

Definitions

  • semiconductor lasers Due to their small size and power spectrum, semiconductor lasers are used in a wide range of applications, for example in integrated sensor solutions.
  • Semiconductor lasers can generally be divided into two classes: edge-emitting lasers, in which the laser light propagates parallel to the wafer surface of the semiconductor chip and is reflected or decoupled at a split edge, and surface-emitting lasers Lasers) in which the light propagates perpendicularly to the semiconductor wafer surface.
  • a previously less common category of surface-emitting lasers is set up so that laser light propagates essentially in a cavity along the wafer surface (English: in-plane laser).
  • a realization of this type of laser is the surface-emitting photonic crystal laser (English: Photonic Crystal Surface-Emitting Laser, abbreviated: PCSEL), in which a laser resonator lying in one plane is realized with a photonic crystal structure.
  • PCSEL Photonic Crystal Surface-Emitting Laser
  • the same structure also reflects part of the light to form the output beam.
  • Single-frequency operation can be achieved here, which can be important for applications in 3D sensors and optical data transmission, for example.
  • Surface-emitting photonic crystal lasers, or PCSELs can be realized, for example, by stacking functional layers.
  • the lasers can and should have coupled waveguides in order to simplify production and adjust the laser characteristics for the respective application. At the same time, there is a need for high-quality components such as the photonic crystals used.
  • One object is to specify an optoelectronic component and a laser that allow simpler production and improved laser characteristics.
  • an optoelectronic component comprises a stack arrangement which has a photonic crystal and a gain medium.
  • the gain medium comprises a layer sequence of at least two quantum wells and at least one tunnel diode (tunnel junction).
  • the stack arrangement is arranged on a substrate which is transparent in the area of an electromagnetic wave to be emitted.
  • the gain medium is configured to emit the electromagnetic wave.
  • the photonic crystal is electromagnetically coupled to the gain medium.
  • waveguides can, and often should, also be coupled. This saves, for example, a photonic crystal layer for each waveguide.
  • the stacks can be arranged within a superwaveguide.
  • the tunnel diodes With the help of the tunnel diodes, the individual quantum wells can be coupled coherently at a small spatial distance. Since only one layer with a photonic crystal is required in this concept, the production is also simplified, since nanostructuring only has to take place after the quantum wells and the tunnel diodes have been deposited and thus no additional defects are caused in the most sensitive layers of the component.
  • an optoelectronic device in one embodiment, includes a stacked arrangement having a photonic crystal and a gain medium.
  • the gain medium includes at least one quantum well and is configured to emit an electromagnetic wave.
  • the photonic crystal is structured in a dielectric layer and electromagnetically coupled to the gain medium.
  • the stacked arrangement is arranged on a substrate.
  • the substrate can be transparent in the area of the electromagnetic wave, for example in order to couple out the electromagnetic wave. Alternatively can the substrate can be opaque in the area of the electromagnetic wave if, for example, it is not coupled out through this side.
  • the photonic crystal cannot be structured directly into the semiconductor material, but in an additionally inserted layer that is close to the active zone.
  • This layer comprises dielectric material, for example in combination with another dielectric material and/or a transparent conductive material such as indium tin oxide (ITO).
  • ITO indium tin oxide
  • materials with good optical properties and at the same time high thermal conductivity are suitable as dielectric materials, while other dielectric materials with less good thermal properties are also suitable in principle.
  • An advantage of this approach over alternative concepts is that only a relatively thin layer of semiconductor material is required. As a result, the corresponding epitaxial process takes significantly less time and thus allows a cost-effective component with a comparatively simpler Architecture. By structuring in dielectrics, defects in the semiconductor can be reduced or even avoided.
  • an optoelectronic device in one embodiment, includes a stacked arrangement having a photonic crystal and a gain medium.
  • the gain medium includes at least one quantum well and is configured to emit an electromagnetic wave.
  • the photonic crystal is patterned in a conductive layer and electromagnetically coupled to the gain medium.
  • the stacked arrangement is arranged on a substrate.
  • the substrate can be transparent in the area of the electromagnetic wave, for example in order to couple out the electromagnetic wave.
  • the substrate can be opaque in the area of the electromagnetic wave if, for example, there is no outcoupling through this side.
  • the implementation within the conductive layer, which has ITO, for example, on the p-side enables, for example, completely planarized structures that facilitate decoupling via the p-side (AR coating)—and allows thermal connection via the n-side.
  • the layer sequence comprises the at least two quantum wells and the at least one tunnel diode. Furthermore, the photonic crystal is structured in the electrical layer.
  • the photonic crystal is from Gain medium comprises such that the photonic crystal is arranged in the layer sequence.
  • Gain medium may be arranged separately such that the photonic crystal is arranged on an outer layer of the layer sequence.
  • the gain medium includes one or more constraining layers.
  • the one or more confinement layer is arranged in the layer sequence such that a quantum well is spaced apart from a tunnel diode.
  • a distance between the quantum well and the tunnel diode is set in such a way that a fundamental mode can be coupled out of the gain medium.
  • the one or more confinement layers are spaced such that a space is set between the quantum well and the tunnel diode such that a plurality of individual modes can be coupled out of the gain medium and the individual modes are coupled by energy transfer.
  • the photonic crystal includes a confinement layer.
  • the dielectric layer includes a first dielectric material.
  • the dielectric layer further comprises a second dielectric material and/or a conductive material that is transparent in the electromagnetic wave range.
  • the conductive layer comprises a first conductive material, a second conductive material and/or a dielectric material that is transparent in the range of electromagnetic waves.
  • the conductive layer and the dielectric layer can be combined by appropriate choice of material.
  • a partially dielectric and partially conductive layer can be provided in this way.
  • a photonic crystal structure of the photonic crystal comprises the first dielectric material and is completely embedded in the second dielectric material and/or the transparent conductive material.
  • the photonic crystal structure of the photonic crystal may not be embedded in the second dielectric material and/or the transparent conductive material at least partially on a side facing a quantum well.
  • a photonic crystal structure of the photonic crystal is in direct contact with the gain medium.
  • the photonic crystal is patterned into a layer with no conductive material.
  • a laser comprises one or more of the optoelectronic components according to the concept described here. Furthermore, a pump source provided and arranged for exciting stimulated emission by means of the gain medium.
  • a method for producing an optoelectronic component comprises the following steps. First, a photonic crystal and a gain medium are arranged in a stacked arrangement. The stack arrangement is also arranged on a substrate which is transparent in the area of an electromagnetic wave to be emitted.
  • the gain medium comprises at least two quantum wells and at least one tunnel diode in a layer sequence. The gain medium is configured to emit the electromagnetic wave. Finally, the photonic crystal is electromagnetically coupled to the gain medium.
  • a method for producing an optoelectronic component comprises the following steps. First, a photonic crystal and a gain medium are arranged in a stacked arrangement. The stack arrangement is arranged on a substrate which is transparent in the area of an electromagnetic wave to be emitted. The gain medium includes at least one quantum well and is configured to emit the electromagnetic wave. The photonic crystal is structured in a dielectric layer and electromagnetically coupled to the gain medium.
  • FIGS. 1 to 16 examples of optoelectronic components.
  • FIG. 1 shows an example of an optoelectronic component.
  • the optoelectronic component comprises a stack arrangement, which has a photonic crystal 1 and a gain medium 3 .
  • the photonic crystal 1 consists, for example, of a thin layer of semiconductor material, for example gallium arsenide, GaAs, gallium nitride, GaN, or indium phosphide, InP, which is transparent to an electromagnetic wave to be emitted, ie is not or only slightly absorbing.
  • the electromagnetic wave to be emitted lies, for example, in the infrared, IR, ultraviolet, UV, or in the visible, VIS, part of the electromagnetic spectrum.
  • the photonic crystal 1 comprises a photonic structure 11, which represents a periodic structure of the refractive index and makes it possible to guide, filter and/or reflect wavelength-selectively electromagnetic waves through optical processes such as diffraction and interference.
  • the periodic photonic structure determines or defines, for example, the direction of emission, wavelength and divergence of the electromagnetic wave that can be emitted with the optoelectronic component.
  • the photonic crystal structure 11 comprises one or two dimensionally arranged structure elements 12 arranged in a pattern (e.g. a square or triangular pattern) so as to form the photonic crystal structure extending over a certain direction or area.
  • the structural elements may include air holes or dielectric material.
  • As a two-dimensional photonic crystal structure it functions as a kind of lateral cavity.
  • the photonic structure is characterized by the distance (pitch) between the structural elements or their fill factors and other parameters.
  • the expansion of the photonic crystal in one plane is not shown in the drawing, so that a two-dimensional distribution of the periodic photonic structure results.
  • the photonic crystal can extend along one direction, resulting in a one-dimensional distribution of the periodic photonic structure.
  • the amplification medium 3 comprises a layer sequence of quantum wells 30 (quantum wells), tunnel diodes 31 (tunnel junction) and delimitation layers 32 (cladding).
  • the quantum wells are an active medium and are set up to emit the electromagnetic wave by stimulated emission when suitably excited.
  • the gain medium is delimited by two outer confinement layers.
  • the photonic crystal is a first outer confinement layer for the gain medium.
  • a second outer confinement layer 33 confines the gain medium from a substrate 5 on which the stacked assembly is disposed.
  • the substrate is transparent in the electromagnetic wave range.
  • the The first and second outer constraining layers may have a different layer thickness than the constraining layers 32 of the gain medium.
  • the stacked arrangement of gain medium forms a common waveguide bounded by the first and second outer confinement layers.
  • the confinement layers 32 of the gain medium have equal thicknesses in this example.
  • the layer thicknesses are between 100 nm and 500 nm.
  • the delimitation layers have a doped semiconductor and are, for example, n- or p-doped.
  • the stacked arrangement comprises a plurality of quantum wells, three in this example, but at least two quantum wells.
  • This structure is known in English as a multi-quantum well.
  • the first quantum well is photonically coupled to the photonic crystal.
  • the photonic crystal is placed on the first quantum well.
  • photonically coupled refers to this spatial proximity, which during operation of the optoelectronic crystal (for example in a laser) leads to an evanescent field being formed between the photonic crystal and the quantum well. This will be explained in more detail below.
  • the first quantum well is followed by a further confinement layer 32, followed by a first tunnel diode 31 and a further confinement layer 32.
  • This sequence is repeated for a second quantum well 30 with a further confinement layer 32, followed by a second tunnel diode 31 and a further confinement layer 32.
  • This delimitation layer is followed by a third quantum well 30, which to a certain extent closes off the stack arrangement in the direction of the substrate 5.
  • the third Quantum well 30 is arranged on the second outer confinement layer 33 .
  • the tunnel diodes 31 represent pn transitions, for example.
  • An advantageous sequence of n- and p-doped regions can thus be set by the layer sequence.
  • the sequence of the respective quantum well, confinement layer and tunnel diode ensures that only one fundamental mode per quantum well is established with suitable excitation.
  • a "super" fundamental mode is created by superimposition, which is determined by layer thicknesses and the relative position of the quantum wells. It has been found that layer thicknesses of less than 1 pm are advantageous for this, with a layer thickness describes a sequence of the respective quantum well, confinement layer and tunnel diode.
  • the quantum wells are so close together that the quantum wells are photonically coupled to one another and the "super" fundamental mode is established.
  • the position of the tunnel diodes in the stack arrangement has turned out to be less critical because the fundamental modes have no nodes, etc.
  • Laser amplification by stimulated emission can thus be achieved by coupling the photonic crystal structure to the thin active layers (quantum wells) beneath the photonic crystal layer within the evanescent fields corresponding to the fundamental modes.
  • the substrate includes two opposing surfaces.
  • a surface 51 is provided with the outer confinement layer 33 so that the layer sequence is arranged on the substrate.
  • the opposite surface 52 is optionally provided with a reflective layer 53 .
  • This reflection layer has, for example, a (metal) Reflector or a Bragg mirror (English: Bragg Mirror) on.
  • the reflective layer can also be provided on the surface 51 .
  • the reflection layer is optional because it is not part of the resonator or high reflectivity on the substrate is not absolutely necessary for laser activity.
  • the optoelectronic component can be operated as part of a laser.
  • a suitable pump source electrical or optical, induces stimulated emission in the gain medium.
  • an electric current for pumping the active region ie the quantum wells
  • metallic electrodes on the top and bottom of the optoelectronic component, for example on the photonic crystal and the opposite surface 52 of the substrate.
  • the electrodes are not shown in the drawing.
  • the laser emission is from the top (indicated by an arrow) where the photonic crystal is located.
  • the electrode covers only a small part of a radiating surface, for example a rectangular area with dimensions of the order of 10 gm to 100 gm. It is also possible to use a top electrode from which a rectangular area in the center has been removed. This leads to pumping of the photonic crystal mode in its outer region, while output coupling is possible in the central region.
  • the laser amplification by stimulated emission is achieved by coupling the photonic crystal structure 11 of the photonic crystal 1 with the quantum wells 30 of the gain medium as an active layer (amplifier layer) below the photonic crystal layer 11 within the evanescent fields of the modes.
  • the boundary layers set a distance between a quantum well and a tunnel diode in such a way that a fundamental mode can be coupled out of the gain medium.
  • the active regions are separated from the photonic structure in the layer sequence in order to keep the electrical charge carriers confined in the active region, but are photonically coupled thereto by means of the confinement layer 32 and tunnel diode 31 sequence.
  • the optically transparent and electrically conductive cladding layer made of doped semiconductor (outer boundary layer 33 and photonic crystal 1) is located above and below the stack arrangement.
  • the sequence of the respective quantum well, confinement layer and tunnel diode leads to a fundamental mode being established for each quantum well.
  • a “super” fundamental mode is created by superimposition, which is determined by layer thicknesses and the relative position of the quantum wells.
  • the reflection layer 53 for example a Bragg reflector (Bragg mirror). one side of the stack, more efficient power extraction can be achieved.
  • the waveguides By coupling the waveguides, large-area lasers with high power density can be generated with only diffractively limited beam collimation.
  • the optoelectronic components can be arranged within a super waveguide.
  • the individual quantum wells can be coherently coupled with a small spatial distance by means of the tunnel diodes. Since only one layer with a photonic crystal is required in this concept, production is also made easier because nanostructuring can only take place after the quantum wells and the tunnel diodes have been deposited and thus no additional defects are caused in the most sensitive layers of the component.
  • FIG. 2 shows a further example of an optoelectronic component.
  • the optoelectronic component is based on the previous example and has only been changed in the following features compared to FIG.
  • the reflection layer 53 is now arranged on an outer surface 12 of the photonic crystal.
  • This reflection layer has, for example, a (metal) reflector or a Bragg mirror and is optional because it is not part of the resonator or high reflectivity is not absolutely necessary for laser activity.
  • An anti-reflection layer 54 (anti-reflection coating) can be applied to the surface 52 of the substrate in order to support the decoupling of laser light in the direction of the substrate 5 . In this example, laser emission takes place along the underside of the component (indicated by an arrow), i.e. in the direction of substrate 5.
  • FIG. 3 shows a further example of an optoelectronic component.
  • the optoelectronic component is also a further development of the example from FIG. 1 and has only been changed in the following features.
  • the gain medium 3 comprises a different layer sequence than that described in FIG.
  • a first quantum well is followed by a confinement layer 32, followed by a tunnel diode 31.
  • a further delimitation layer 32 follows.
  • This delimitation layer is followed by a second quantum well 30 which to a certain extent completes the layer sequence in the direction of the substrate 5 .
  • no third quantum well is provided. Instead, the second quantum well is closed off by an outer confinement layer 33 .
  • the photonic crystal 1 represents another outer boundary layer.
  • the boundary layers 32 each have a different layer thickness than the tunnel diode 31 or the quantum wells 30.
  • the layer thickness of the boundary layers 32 is selected such that a distance between a quantum well and the tunnel diode is set in such a way that several individual modes from the Gain medium can be decoupled. Due to the distance chosen, the individual modes are coupled by energy transfer.
  • Laser amplification by stimulated emission is achieved by coupling the photonic crystal structure 11 of the photonic crystal 1 with the quantum wells 30 of the gain medium as the active layer (amplifier layer) below the photonic crystal layer 11 within the evanescent fields of the modes.
  • the confinement layers each adjust a distance between a quantum well and the tunnel diode so that the gain medium is divided into two waveguides each forming a single mode.
  • the active regions are separated from the photonic structure in the layer sequence in order to keep the electrical charge carriers confined in the active region, but are photonically coupled thereto by means of the confinement layer 32 and tunnel diode 31 sequence.
  • Above and below the layer sequence is the optically transparent and electrically conductive cladding layer made of doped semiconductor (outer boundary layer 33 and photonic crystal 1).
  • the sequence of quantum well, confinement layer and tunnel diode leads to a single mode being established for each quantum well or waveguide.
  • the thickness of the quantum wells (multi-quantum well), tunnel diode and confinement layers it is possible to ensure that the waveguides are coherently coupled.
  • the individual modes that arise overlap and exchange energy through coupling. This allows laser light to be extracted from a central photonic crystal.
  • FIG. 4 shows a further example of an optoelectronic component.
  • the optoelectronic component is based on the previous example and has only been changed in the following features compared to FIG.
  • the reflection layer 53 is now arranged on an outer surface 12 of the photonic crystal.
  • This reflection layer has, for example, a (metal) reflector or a Bragg mirror and is optional because it is not part of the resonator or high reflectivity is not absolutely necessary for laser activity.
  • An anti-reflection layer 54 (anti-reflection coating) can be applied to the surface 52 of the substrate in order to support the decoupling of laser light in the direction of the substrate 5 .
  • laser emission takes place along the underside of the component (indicated by an arrow) in the direction of the substrate 5.
  • FIG. 5 shows a further example of an optoelectronic component.
  • the photonic crystal is arranged in the layer sequence.
  • the photonic crystal can also lie between the waveguides, for example within the tunnel diode or in an intermediate boundary layer 32 (English: cladding). Thin, low-loss tunnel diodes can be beneficial.
  • the photonic crystal structures can also be on the substrate side. The emission direction, wavelength and divergence are also determined or defined by the structure of the photonic crystal (pitch, fill factor, etc.).
  • FIG. 6 shows a further example of an optoelectronic component.
  • the optoelectronic component comprises a stack arrangement which has a photonic crystal 1 and a gain medium 3 .
  • the gain medium includes a quantum well 30, which is set up as an active medium to emit an electromagnetic wave.
  • the gain medium is arranged on a transparent substrate 5 .
  • the substrate has a semiconductor material, for example gallium arsenide, GaAs, gallium nitride, GaN, or indium phosphide, InP, which is transparent to the electromagnetic wave to be emitted, ie is not or only slightly absorbent.
  • the electromagnetic wave to be emitted lies, for example, in the infrared, IR, ultraviolet, UV, or in the visible, VIS, part of the electromagnetic spectrum.
  • An anti-reflection layer 54 (anti-reflection coating) is applied to a surface 52 of the substrate in order to support the decoupling of laser light in the direction of the substrate 5 .
  • an electrode 53 for example an n-contact, is arranged on the surface 52.
  • laser emission occurs along the bottom (indicated by an arrow).
  • the electrode is designed to cover only a small part of the surface 53, for example a rectangular area with dimensions of the order of 10 gm to 100 gm. It is also possible to use an electrode where a rectangular area is in the center has been removed.
  • the amplification medium is arranged with a layer sequence on a further surface 51 of the substrate opposite the surface 52 .
  • the layer sequence includes differently doped semiconductors which enclose a quantum well 30 .
  • a first semiconductor layer 34 of n-doped GaN is disposed on the surface 51, followed by a quantum well 30.
  • a second semiconductor layer 34 of p-doped GaN is disposed on top of the quantum well.
  • the configuration of the amplification medium in particular the layer sequence, can be replaced or expanded by one from FIGS. 1 to 5, it being possible for the semiconductor layers 34 to be replaced or supplemented by delimiting layers. In this way, the exemplary embodiments of FIGS. 1 to 5 can be exchanged or supplemented with those of FIGS.
  • the photonic crystal 1 is structured in a dielectric layer 14 and electromagnetically coupled to the gain medium.
  • the dielectric layer 14 comprises a first layer 15 which has a first dielectric material, in this example ITO.
  • the photonic structure 11 is structured into a second layer 16, which also comprises the first dielectric material.
  • the structural elements 13 have a second dielectric material.
  • the dielectric layer 14 further includes a third layer 17 which makes contact with the gain medium.
  • Dielectric layer 14 includes dielectric material in combination with another dielectric material and/or a transparent conductive material, such as indium tin oxide (ITO for short).
  • ITO indium tin oxide
  • materials with good optical properties and, at the same time, high thermal conductivity are suitable as dielectric materials, while other dielectric materials with less good thermal properties are also suitable in principle, but may have other disadvantages.
  • ITO can be mixed with TCO, with TCO denoting transparent, electrically conductive oxides (English: Transparent Conducting Oxides, TCO).
  • TCO transparent Conducting Oxides
  • the refractive indices given below can be used.
  • a second electrode 18, for example a p-contact, is also arranged on the photonic crystal.
  • the electrode comprises, for example, a material (for example Au or Al) that is reflective of the electromagnetic radiation to be emitted.
  • the electrode may be surrounded by an insulator configured in the form of an aperture 19 to provide a current opening.
  • the optoelectronic component can be excited to stimulated emission and emission of the electromagnetic wave as laser radiation by means of the two electrodes.
  • the photonic Structure made of a dielectric material completely embedded in a transparent conductive material, thus forming the photonic crystal.
  • the layer thicknesses of p-GaN and the directly adjacent closed ITO layer are preferably very thin to ensure a small distance ( ⁇ 300 nm preferably ⁇ 100 nm to ⁇ 50 nm) of the photonic crystal from the quantum wells.
  • FIG. 7 shows a further example of an optoelectronic component.
  • the optoelectronic component corresponds to the example from FIG. 6, but this exemplary embodiment has an aperture 20 in addition to the photonic structure. This can consist directly of the same material system as the photonic crystal and/or of a different material such as metal.
  • the aperture delimits, for example, the dielectric layer (e.g. layers 16, 17).
  • Laser characteristics such as beam expansion or divergence advantageously affect.
  • FIG. 8 shows a further example of an optoelectronic component.
  • the optoelectronic component corresponds to the example from FIG. 6 with the difference that the dielectric layer 14 only comprises the first and second layer 15, 16 and no third layer 17. Instead, contact with the gain medium is made directly by means of the second layer 16.
  • the distance between the photonic structure and the quantum wells is reduced even further by not providing a closed dielectric layer, for example an ITO layer, between the p-GaN and the photonic crystal. It is important here that good charge transport to the active zone can nevertheless take place. In this case, too, an aperture 19 can be structured on the photonic crystal or in it.
  • FIG. 9 shows a further example of an optoelectronic component.
  • the optoelectronic component is a continuation of FIG. 8 with the difference that the photonic crystal is structured in a dielectric layer 14 that has no conductive material.
  • the dielectric layer includes two dielectric materials with different indices of refraction.
  • an intermediate layer 35 is inserted in the layer sequence with very good transverse conductivity (for example p++GaN) between the photonic crystal 1 and the gain medium 3 .
  • the dielectric layer 14 is embedded in the electrode.
  • the electrode comprises a material (for example Au or Al) which is reflective of the electromagnetic radiation to be emitted.
  • the electrode may be surrounded by an insulator designed in the form of a (current) aperture 19 to provide a current opening.
  • the substrate 5 can also have a (current) aperture 19 and an electrode 55 , for example an n-contact, and an anti-reflection layer 54 on the surface 52 .
  • FIG. 10 shows a further example of an optoelectronic component.
  • the optoelectronic component is a further development of the exemplary embodiment in FIG. 9.
  • the photonic crystal is structured by a combination of conductive material (for example TCO) and dielectrics deposited in two different processes.
  • a TCOL film 21 is first deposited by means of, for example, ALD, which is deposited in the depths of the photonic crystal and makes contact with GaN p++ there.
  • a planar TC02 film 22 is deposited, which closes the photonic crystals flat, but does not fill them up. The p-contact is thus realized via TC02 and TCOL on p-GaN.
  • the dielectric layer 14 comprises the first layer 15 in which the structural elements 13 are embedded.
  • the layer 15 and the structural elements are covered with the film 21.
  • Film 22 forms a planar shutter on film 21.
  • the optoelectronic component can be further developed.
  • the photonic crystal structure is processed by molding a shape-retaining layer, such as silicon.
  • the silicon is structured in the process.
  • the dielectric is then deposited - it molds the silicon.
  • the silicon is removed again (depending on the wavelength/absorption of Si at the wavelength, the silicon can remain).
  • the further process can take place as described in FIG.
  • an a.Si can also be used, for example are high refractive index. Due to the thin layer, the absorption in Si is justifiable even at, for example, 450 nm (for example, 80% transmission at 100 nm thickness at 450 nm). However, since the Si only occupies part of the photonic crystal, the transmission is significantly higher (filling factor). Compared to other dielectrics, a-Si has the advantage that it can be structured very precisely.
  • the concept presented here is suitable for GaN-based PC VCSELs, but can also be used for GaAs- and InP-based systems. Especially since the advantages become clear here.
  • a mirror can also be used on the substrate side.
  • the exemplary embodiments can also be set up for coupling out laser emission via the upper side, with the metallization being adapted for this purpose, for example.
  • FIG. 11 shows a further example of an optoelectronic component.
  • the optoelectronic component includes a stack arrangement which has a photonic crystal and a gain medium.
  • the gain medium includes a quantum well 30, which is set up as an active medium to emit an electromagnetic wave.
  • the gain medium is arranged on a transparent substrate 5 .
  • the substrate has a semiconductor material, for example gallium arsenide, GaAs, gallium nitride, GaN, or indium phosphide, InP, which is transparent to the electromagnetic wave to be emitted, ie is not or only slightly absorbing.
  • the electromagnetic wave to be emitted lies, for example, in the infrared, IR, ultraviolet, UV, or in the visible, VIS, part of the electromagnetic spectrum.
  • the gain medium comprises two semiconductor layers 34 .
  • a first semiconductor layer is p-doped, for example, and a second semiconductor layer is n-doped.
  • the second semiconductor layer faces the gain medium and is n-doped (e.g. nGaN) and the first semiconductor layer faces a conductive layer 21 and is p-doped (e.g. pGaN).
  • Boundary layers can be replaced or supplemented. In this way, the exemplary embodiments shown can be exchanged or supplemented.
  • a photonic crystal is patterned in the conductive layer 21 and electromagnetically coupled to the gain medium.
  • the conductive layer 21 comprises a first layer 22 which has a first conductive material.
  • This can be a TCO, "TCO" designating transparent, electrically conductive oxides (English: Transparent Conducting Oxides, TCO).
  • the first conductive material is ITO.
  • the first layer 22 is used for the lateral closure of the optoelectronic component.
  • a photonic structure is patterned into a second layer 23, which also includes the first conductive material.
  • the photonic structure is formed by structure elements 25 (English: voids).
  • the structure elements are shown enlarged in the image on the right and are, for example, in the order of magnitude of the emission wavelength of the optoelectronic component, for example around 300 nm.
  • the structuring of the second layer 23 and thus of the structure elements 25 is carried out, for example, by an edging process.
  • the conductive layer 21 also includes a third layer 24 which establishes contact with the gain medium 3 .
  • the third conductive layer 24 is planar on a surface of the gain medium.
  • the conductive layer 21 or the layers 22, 23, 24 can be produced by different deposition methods, for example atomic layer deposition (ALD), sputtering methods or settings.
  • a variant with overgrown or oversputtered voids 25 also has the advantage that the etched structures can originally be larger than they are ultimately required (since they partially grow over again during sputtering). This means there is more Freedom or other options regarding
  • an anti-reflection coating can be applied to closed structures.
  • FIG. 12 shows a further example of an optoelectronic component.
  • the optoelectronic component in particular the conductive layer 21 from FIG. 11, can be structured by means of etching and masks. Structural elements 25 of different depths can be produced here.
  • the drawing on the left shows a structuring that can be achieved by a combination of two lithography steps, each with a subsequent etching step.
  • a gray lithography step and an etching step can be performed, allowing good alignment between sublattices.
  • Both alternatives allow structures 26, 27 of different depths to be introduced into the second layer 23. These structures can then be formed by applying the second layer 23 alone and/or together with the first layer 22 and thus form the structural elements 25.
  • the drawing on the right shows the structural elements formed as a result.
  • the conductive material for example ITO, can be applied by sputtering and the structures 26, 27 encapsulate.
  • the first layer 22 can also be applied in this step and finally planarized.
  • FIG. 13 shows further examples of an optoelectronic component.
  • the drawing on the left shows the optoelectronic component according to FIG. 11, electrical contacting also being shown.
  • an electrode 53 On a surface 52 of the substrate is an electrode 53, for example an n-contact, arranged.
  • an anti-reflection layer anti-reflection coating
  • laser emission occurs along the underside 52.
  • the electrode is designed to cover only a small portion of the surface 52, for example a rectangular area with dimensions of the order of 10 ⁇ m to 100 ⁇ m Use an electrode that has a rectangular area in the center removed. This leads to pumping of the photonic crystal mode in its outer region, while output coupling is possible in the central region.
  • the electrode comprises, for example, a material (for example Au or Al) that is reflective of the electromagnetic radiation to be emitted.
  • the second electrode 18 allows contacting from the rear.
  • the first or second electrode may be comprised of an insulator configured in the form of an aperture 19 to provide a current opening.
  • the electrode 18 is shown on the right side of the drawing. Instead of being on the surface 52 of the substrate, the electrode is arranged in the semiconductor layer 34 and next to the gain medium, for example in the second, n-doped semiconductor layer facing the gain medium.
  • the second electrode 18 thus allows contact to be made from the front.
  • the optoelectronic component can be excited to stimulated emission and emission of the electromagnetic wave as laser radiation by means of the two electrodes.
  • the photonic structure made of a conductive material is completely embedded in a transparent conductive material and thus forms the photonic crystal.
  • the electrodes are arranged in such a way that emission takes place on the substrate side via the aperture 19 of the first electrode.
  • FIG. 14 shows further examples of an optoelectronic component.
  • the drawing on the left shows the optoelectronic component according to FIG. 12 (left), a reflector 26, in particular an epi-DBR reflector, being additionally arranged on or in the substrate.
  • the electrodes are set up so that emission occurs on top via the aperture 19 of the first electrode.
  • FIG. 15 shows a further example of an optoelectronic component.
  • This component corresponds to that according to FIG. 11, with the conductive layer 21 being open, ie no first layer 21 is provided for a lateral closure of the optoelectronic component.
  • the structures 26, 27 remain without encapsulation and thus form the structural elements of the optoelectronic component.
  • a current distribution can form laterally in the conductive layer 21, for example in intermediate webs of the ITO.
  • FIG. 16 shows further examples of an optoelectronic component. These components correspond to those according to FIG. 15, one reflector each, in particular an epi-DBR reflector, being additionally arranged on or in the substrate.
  • the priorities of the German patent applications DE 102021113598.2 and DE 102021128124.5 are claimed, the disclosure content of which is hereby expressly incorporated by reference.

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Abstract

Ein optoelektronisches Bauelement umfasst eine Stapelanordnung, welche einen photonischen Kristall (1) und ein Verstärkungsmedium (3) aufweist. Das Verstärkungsmedium umfasst eine Schichtenabfolge aus wenigstens zwei Quantentöpfen (30) und wenigstens einer Tunneldiode (31) und ist dazu eingerichtet, eine elektromagnetische Welle zu emittieren. Der photonische Kristall ist elektromagnetisch mit dem Verstärkungsmedium gekoppelt. Die Stapelanordnung ist auf einem Substrat (5) angeordnet. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verstärkungsmedium wenigstens einen Quantentopf. Der photonische Kristall ist in einer dielektrischen Schicht strukturiert und elektromagnetisch mit dem Verstärkungsmedium gekoppelt.

Description

Beschreibung
OPTOELEKTRONISCHES BAUELEMENT UND LASER
Es werden ein optoelektronisches Bauelement und ein Laser beschrieben .
Halbleiterlaser finden aufgrund ihrer geringen Größe und ihrem Leistungsspektrum eine Vielzahl von Anwendungen, beispielsweise in integrierten Sensorlösungen.
Halbleiterlaser können generell in zwei Klassen eingeteilt werden: Kantenemittierende Laser (englisch: Edge-Emitting Laser), bei denen sich das Laserlicht parallel zur Waferoberfläche des Halbleiterchips ausbreitet und an einer gespaltenen Kante reflektiert oder ausgekoppelt wird, und oberflächenemittierende Laser (englisch: Surface-Emitting Laser), bei denen sich das Licht senkrecht zur Halbleiter- Waferoberfläche ausbreitet. Eine bisher weniger gebräuchliche Kategorie von oberflächenemittierenden Lasern ist so eingerichtet, dass sich Laserlicht im Wesentlichen in einer Kavität entlang der Waferoberfläche ausbreitet (englisch: In- Plane Laser). Eine Realisierung dieses Lasertyps ist der oberflächenemittierende photonische Kristall-Laser (englisch: Photonic Crystal Surface-Emitting Laser, kurz: PCSEL), bei dem ein in einer Ebene liegender Laserresonator mit einer photonischen Kristallstruktur realisiert wird. Die gleiche Struktur reflektiert auch einen Teil des Lichts, um den Ausgangsstrahl zu bilden. Hier kann ein Einzelfrequenzbetrieb erreicht werden, was zum Beispiel für Anwendungen in der 3D- Sensorik und der optischen Datenübertragung wichtig sein kann. Oberflächenemittierende Photonische Kristall-Laser, oder PCSELs, lassen sich beispielsweise durch Stapelanordnungen funktionaler Schichten realisieren. Im Gegensatz zu kantenemittierenden Lasern können und je nach Anwendung sollen die Laser gekoppelte Wellenleiter aufweisen, um die Herstellung zu vereinfachen und die Lasercharakteristik für die jeweilige Anwendung einzustellen. Gleichzeitig besteht Bedarf an hochwertigen Komponenten, wie den verwendeten photonischen Kristallen.
Eine Aufgabe ist es, ein optoelektronisches Bauelement und einen Laser anzugeben, die eine einfachere Herstellung und verbesserte Lasercharakteristik erlauben.
Diese Aufgaben werden durch das optoelektronische Bauelement und dem Laser gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen des optoelektronischen Bauelements und des Lasers sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst ein optoelektronisches Bauelement eine Stapelanordnung, welche einen photonischen Kristall und ein Verstärkungsmedium aufweist. Das Verstärkungsmedium umfasst eine Schichtenabfolge aus wenigstens zwei Quantentöpfen (englisch: Quantum Well) und wenigstens einer Tunneldiode (englisch: Tunnel Junction). Die Stapelanordnung ist auf einem Substrat angeordnet, welches transparent im Bereich einer zu emittierenden elektromagnetischen Welle ist. Das Verstärkungsmedium ist dazu eingerichtet, die elektromagnetische Welle zu emittieren. Der photonische Kristall ist elektromagnetisch mit dem Verstärkungsmedium gekoppelt. Um die Leuchtdichte von Lasern, insbesondere von Photonic Crystal Surface Emitting Lasern, PCSEL, zu erhöhen, können optoelektronische Bauelemente mit Stapelordnungen (englisch: Stacks) vorteilhaft sein. Im Gegensatz zu anderen Halbleiterlasern mit mehreren Übergängen können und oftmals sollen Wellenleiter auch gekoppelt sein. Dadurch spart man sich zum Beispiel eine photonische Kristallschicht für jeden Wellenleiter .
Durch die Kopplung der Wellenleiter lassen sich großflächige Laser mit hoher Leistungsdichte mit nur diffraktiv limitierter Strahlkollimation erzeugen. Zudem können die Stacks innerhalb eines Superwellenleiters angeordnet werden. Mit Hilfe der Tunneldioden können die einzelnen Quantentöpfe in einem geringen räumlichen Abstand kohärent gekoppelt werden. Da in diesem Konzept nur eine Schicht mit photonischem Kristall nötig ist, wird zusätzlich die Herstellung erleichtert, da eine Nanostrukturierung erst nach Abscheiden der Quantumwells und der Tunneldioden erfolgen muss und somit keine zusätzlichen Defekte in den empfindlichsten Schichten des Bauteils verursacht werden.
In einer Ausführungsform umfasst ein optoelektronisches Bauelement eine Stapelanordnung, welche einen photonischen Kristall und ein Verstärkungsmedium aufweist. Das Verstärkungsmedium umfasst wenigstens einen Quantentopf und ist dazu eingerichtet, eine elektromagnetische Welle zu emittieren. Der photonische Kristall ist in einer dielektrischen Schicht strukturiert und elektromagnetisch mit dem Verstärkungsmedium gekoppelt. Die Stapelanordnung ist auf einem Substrat angeordnet. Das Substrat kann transparent im Bereich der elektromagnetischen Welle sein, um beispielsweise die elektromagnetische Welle auszukoppeln. Alternativ kann das Substrat im Bereich der elektromagnetischen Welle opak sein, falls beispielsweise nicht durch diese Seite ausgekoppelt wird.
Aufgrund der hohen Kollimationsqualität eines PCSEL findet, selbst bei einer Auskopplung durch das Substrat, keine nennenswerte Strahlaufweitung statt. Das bedeutet, dass das optoelektronische Bauelement in Verwendung als Laser selbst durch „dickes" Substrat, zum Beispiel > 100 gm, nicht in seinen optischen Eigenschaften beeinträchtigt wird und somit auch Bauteile mit wesentlich dickeren Substraten als bislang vorgeschlagen hergestellt werden können.
Um diesen Ansatz mit qualitativ hochwertigen photonischen Kristallstrukturen zu realisieren, kann der photonische Kristall nicht direkt in das Halbleitermaterial strukturiert werden, sondern in einer zusätzlich eingefügten Schicht, die sich nah an der aktiven Zone befindet. Diese Schicht weist dielektrisches Material auf, beispielsweise in Kombination mit einem weiteren dielektrischen Material und/oder einem transparenten leitfähigen Material, wie beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (ITO). Als dielektrische Materialien sind insbesondere Materialien mit guten optischen Eigenschaften und gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit geeignet, während andere dielektrische Materialien mit weniger guten thermischen Eigenschaften prinzipiell auch geeignet sind.
Ein Vorteil dieses Ansatzes gegenüber alternativen Konzepten ist, dass nur eine relativ dünne Schicht des Halbleitermaterials nötig ist. Dadurch dauert der entsprechende Epitaxieprozess deutlich kürzer und erlaubt so ein kostengünstiges Bauteil mit vergleichsweise einfacher Architektur. Durch die Strukturierung in Dielektrika können Defekte im Halbleiter verringert oder sogar vermieden werden.
In einer Ausführungsform umfasst ein optoelektronisches Bauelement eine Stapelanordnung, welche einen photonischen Kristall und ein Verstärkungsmedium aufweist. Das Verstärkungsmedium umfasst wenigstens einen Quantentopf und ist dazu eingerichtet, eine elektromagnetische Welle zu emittieren. Der photonische Kristall ist in einer leitfähigen Schicht strukturiert und elektromagnetisch mit dem Verstärkungsmedium gekoppelt. Die Stapelanordnung ist auf einem Substrat angeordnet. Das Substrat kann transparent im Bereich der elektromagnetischen Welle sein, um beispielsweise die elektromagnetische Welle auszukoppeln. Alternativ kann das Substrat im Bereich der elektromagnetischen Welle opak sein, falls beispielsweise nicht durch diese Seite ausgekoppelt wird.
Dies ermöglicht beispielsweise photonische Kristallstrukturen auf der p-Seite, etwa in InGaN-Lasern. Die Realisierung innerhalb der leitfähigen Schicht, die beispielsweise ITO aufweist, auf der p-Seite ermöglicht zum Beispiel vollständig planarisierte Strukturen, die eine Auskopplung über die p- Seite (AR Beschichtung) erleichtern - und erlaubt die thermische Anbindung über die n-Seite.
In wenigstens einer Ausführungsform umfasst die Schichtenabfolge die wenigstens zwei Quantentöpfe und die wenigstens eine Tunneldiode. Ferner ist der photonische Kristall in der elektrischen Schicht strukturiert.
In wenigstens einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist der photonische Kristall vom Verstärkungsmedium umfasst derart, dass der photonische Kristall in der Schichtenabfolge angeordnet ist.
Alternativ kann der photonische Kristall vom
Verstärkungsmedium getrennt angeordnet sein derart, dass der photonische Kristall auf einer äußeren Schicht der Schichtenabfolge angeordnet ist.
In wenigstens einer Ausführungsform weist das Verstärkungsmedium eine oder mehrere Begrenzungsschichten auf. Die eine oder mehrere Begrenzungsschicht ist derart in der Schichtenabfolge angeordnet, dass ein Quantentopf von einer Tunneldiode beabstandet ist.
In wenigstens einer Ausführungsform ist ein Abstand zwischen Quantentopf und Tunneldiode jeweils so eingestellt, dass eine Grundmode aus dem Verstärkungsmedium auskoppelbar ist.
In wenigstens einer Ausführungsform sind die eine oder mehreren Begrenzungsschichten mit einem Abstand so eingestellt, dass zwischen Quantentopf und Tunneldiode jeweils ein Abstand derart eingestellt ist, dass mehrere Einzelmoden aus dem Verstärkungsmedium auskoppelbar sind und die Einzelmoden durch Energietransfer gekoppelt sind.
In wenigstens einer Ausführungsform umfasst der photonische Kristall eine Begrenzungsschicht.
In wenigstens einer Ausführungsform umfasst die dielektrische Schicht ein erstes dielektrisches Material. Die dielektrische Schicht umfasst ferner ein zweites dielektrisches Material und/oder ein im Bereich der elektromagnetischen Welle transparentes leitfähiges Material. In wenigstens einer Ausführungsform umfasst die leitfähige Schicht ein erstes leitfähiges Material, ein zweites leitfähiges Material und/oder ein im Bereich der elektromagnetischen Welle transparentes dielektrisches Material .
Ferner können die leitfähige Schicht und die dielektrische Schicht durch geeignete Materialwahl kombiniert werden. Beispielsweise kann so eine teilweise dielektrische und teilweise leitfähige Schicht vorgesehen werden.
In wenigstens einer Ausführungsform weist eine photonische Kristallstruktur des photonischen Kristalls das erste dielektrische Material auf und ist vollständig im zweiten dielektrischen Material und/oder dem transparenten leitfähigen Material eingebettet. Die photonische Kristallstruktur des photonischen Kristalls kann zumindest teilweise auf einer einem Quantentopf zugewandten Seite nicht im zweiten dielektrischen Material und/oder dem transparenten leitfähigen Material eingebettet sein.
In wenigstens einer Ausführungsform steht eine photonische Kristallstruktur des photonischen Kristalls in direktem Kontakt mit dem Verstärkungsmedium.
In wenigstens einer Ausführungsform ist der photonische Kristall in eine Schicht ohne leitfähiges Material strukturiert .
In wenigstens einer Ausführungsform umfasst ein Laser eines oder mehrere der optoelektronischen Bauelemente gemäß dem hier beschriebenen Konzept. Ferner ist eine Pumpquelle vorgesehen und eingerichtet zum Anregen von stimulierter Emission mittels des Verstärkungsmediums.
In wenigstens einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements die folgenden Schritte. Zunächst werden ein photonischer Kristall und ein Verstärkungsmedium in einer Stapelanordnung angeordnet. Die Stapelanordnung ist ferner auf einem Substrat angeordnet, welches transparent im Bereich einer zu emittierenden elektromagnetischen Welle ist. Das Verstärkungsmedium umfasst in einer Schichtenabfolge wenigstens zwei Quantentöpfe und wenigstens eine Tunneldiode. Das Verstärkungsmedium ist dazu eingerichtet, die elektromagnetische Welle zu emittieren. Schließlich ist der photonische Kristall elektromagnetisch mit dem Verstärkungsmedium gekoppelt.
In wenigstens einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements die folgenden Schritte. Zunächst werden ein photonischer Kristall und ein Verstärkungsmedium in einer Stapelanordnung angeordnet. Die Stapelanordnung wird auf einem Substrat angeordnet, welches transparent im Bereich einer zu emittierenden elektromagnetischen Welle ist. Das Verstärkungsmedium umfasst wenigstens einen Quantentopf und ist dazu eingerichtet, die elektromagnetische Welle zu emittieren. Der photonische Kristall ist in einer dielektrischen Schicht strukturiert und elektromagnetisch mit dem Verstärkungsmedium gekoppelt.
Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen des optoelektronischen Bauelements oder des Verfahrens zum Herstellen eines optoelektronischen Bauelements ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 1 bis 11 erläuterten Ausführungsbeispielen. Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Schaltungsteile und Bauelemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
Figuren 1 bis 16 Beispiele optoelektronischer Bauelemente.
Figur 1 zeigt ein Beispiel für ein optoelektronisches Bauelement. Das optoelektronische Bauelement umfasst in diesem wie auch in den folgenden Beispielen eine Stapelanordnung (englisch: Stack), welche einen photonischen Kristall 1 und ein Verstärkungsmedium 3 aufweist.
Der photonische Kristall 1 besteht beispielsweise aus einer dünnen Schicht aus Halbleitermaterial, zum Beispiel Galliumarsenid, GaAs, Galliumnitrid, GaN, oder Indiumphosphid, InP, welches für eine zu emittierende elektromagnetische Welle transparent, das heißt nicht oder nur wenig absorbierend ist. Die zu emittierende elektromagnetische Welle liegt beispielsweise im infraroten, IR, ultravioletten, UV, oder im sichtbaren, VIS, Teil des elektromagnetischen Spektrums. Der photonische Kristall 1 umfasst eine photonische Struktur 11, die eine periodische Struktur des Brechungsindex darstellt und es ermöglicht, elektromagnetische Wellen durch optische Prozesse wie Beugung und Interferenz zu führen, zu filtern und/oder wellenlängenselektiv zu reflektieren. Die periodische photonische Struktur bestimmt beziehungsweise definiert beispielsweise Emissionsrichtung, Wellenlänge und Divergenz der mit dem optoelektronischen Bauelement emittierbaren elektromagnetischen Welle. Die photonische Kristallstruktur 11 umfasst ein- oder zweidimensional angeordnete Strukturelemente 12, die in einem Muster (zum Beispiel ein quadratisches oder dreieckiges Muster) so angeordnet sind, dass sie die photonische Kristallstruktur bilden, die sich über eine bestimmte Richtung oder Fläche erstreckt. Die Strukturelemente können Luftlöcher oder dielektrisches Material aufweisen. Als zweidimensionale photonische Kristallstruktur fungiert diese gewissermaßen als lateraler Hohlraum. Beispielsweise ist die photonische Struktur durch Abstand (englisch: Pitch) der Strukturelemente untereinander beziehungsweise deren Füllfaktoren und anderen Parametern charakterisiert. In der Zeichnung nicht dargestellt ist die Ausdehnung des photonischen Kristalls in einer Ebene, so dass sich eine zweidimensionale Verteilung der periodischen photonischen Struktur ergibt. Grundsätzlich kann sich der photonische Kristall entlang einer Richtung erstrecken, so dass sich eine eindimensionale Verteilung der periodischen photonischen Struktur ergibt.
Das Verstärkungsmedium 3 umfasst eine Schichtenfolge aus Quantentöpfen 30 (englisch: Quantum Wells), Tunneldioden 31 (englisch: Tunnel Junction) und Begrenzungsschichten 32 (englisch: Cladding). Die Quantentöpfe sind ein aktives Medium und dazu eingerichtet, bei geeigneter Anregung die elektromagnetische Welle durch stimulierte Emission zu emittieren. Das Verstärkungsmedium wird durch zwei äußere Begrenzungsschichten abgegrenzt. In diesem Beispiel ist der photonische Kristall eine erste äußere Begrenzungsschicht für das Verstärkungsmedium. Eine zweite äußere Begrenzungsschicht 33 begrenzt das Verstärkungsmedium von einem Substrat 5, auf welchem die Stapelanordnung angeordnet ist. Das Substrat ist transparent im Bereich der elektromagnetischen Welle. Die erste und zweite äußere Begrenzungsschicht können eine andere Schichtdicke als die Begrenzungsschichten 32 des Verstärkungsmediums aufweisen. Die Stapelanordnung des Verstärkungsmediums bildet einen gemeinsamen Wellenleiter, der durch die erste und zweite äußere Begrenzungsschicht begrenzt ist. Die Begrenzungsschichten 32 des Verstärkungsmediums weisen in diesem Beispiel gleiche Schickdicken auf. Beispielsweise liegen die Schickdicken zwischen 100 nm bis 500 nm. Die Begrenzungsschichten weisen einen dotierten Halbleiter auf und sind zum Beispiel n- oder p-dotiert.
Die Stapelanordnung umfasst mehrere Quantentöpfe, in diesem Beispiel drei, wenigstens jedoch zwei Quantentöpfe. Diese Struktur wird Englisch als Multi-Quantum Well bezeichnet. Der erste Quantentopf ist photonisch mit dem photonischen Kristall gekoppelt. In diesem Beispiel ist der photonische Kristall auf dem ersten Quantentopf angeordnet. Der Begriff „photonisch gekoppelt" bezeichnet diese räumliche Nähe, die im Betrieb des optoelektronischen Kristalls (beispielsweise in einem Laser) dazu führt, dass sich zwischen photonischem Kristall und dem Quantentopf ein evaneszentes Feld ausbildet. Dies wird weiter unten noch näher erläutert.
In der Schichtenabfolge folgt auf den ersten Quantentopf eine weitere Begrenzungsschicht 32, gefolgt von einer ersten Tunneldiode 31 sowie einer weiteren Begrenzungsschicht 32. Diese Abfolge wiederholt sich für einen zweiten Quantentopf 30 mit einer weiteren Begrenzungsschicht 32, gefolgt von einer zweiten Tunneldiode 31 sowie einer weiteren Begrenzungsschicht 32. Auf diese Begrenzungsschicht folgt ein dritter Quantentopf 30, der gewissermaßen die Stapelanordnung in Richtung zum Substrat 5 hin abschließt. Der dritte Quantentopf 30 ist auf der zweiten äußeren Begrenzungsschicht 33 angeordnet.
Die Tunneldioden 31 stellen beispielsweise pn-Übergänge dar. So kann eine vorteilhafte Abfolge von n- und p-dotierten Bereichen durch die Schichtenabfolge eingestellt werden. Die Abfolge aus jeweiligem Quantentopf, Begrenzungsschicht und Tunneldiode stellt in diesem Beispiel sicher, dass sich bei geeigneter Anregung nur eine Grundmode pro Quantentopf einstellt. Durch die Anordnung mehrerer Quantentöpfe (Multi- Quantum Well) stellt sich durch Überlagerung eine „Super"- Grundmode ein, die durch Schichtdicken und relative Lage der Quantentöpfe bestimmt ist. Es hat sich herausgestellt, dass dafür Schichtdicken von kleiner 1 pm vorteilhaft sind, wobei eine Schichtdicke je eine Abfolge aus jeweiligem Quantentopf, Begrenzungsschicht und Tunneldiode beschreibt. Auf diese Weise sind die Quantentöpfe so nah beieinander, dass die Quantentöpfe untereinander photonisch gekoppelt sind und sich die „Super"-Grundmode einstellt. Die Lage der Tunneldioden in der Stapelanordnung hat sich als weniger kritisch herausgestellt, weil die Grundmoden keine Knoten et cetera aufweisen. Die Laserverstärkung durch stimulierte Emission kann so durch Kopplung der photonischen Kristallstruktur mit den dünnen aktiven Schichten (Quantentöpfen) unterhalb der photonischen Kristallschicht innerhalb der evaneszenten Felder entsprechend der Grundmoden erreicht werden.
Das Substrat umfasst zwei gegenüberliegende Oberflächen. Eine Oberfläche 51 ist mit der äußeren Begrenzungsschicht 33 versehen, so dass die Schichtenabfolge auf dem Substrat angeordnet ist. Die gegenüberliegende Oberfläche 52 ist optional mit einer Reflexionsschicht 53 versehen. Diese Reflexionsschicht weist beispielsweise einen (Metall)- Reflektor oder einen Bragg-Spiegel (englisch: Bragg Mirror) auf. Die Reflexionsschicht kann auch auf der Oberfläche 51 vorgesehen sein. Die Reflexionsschicht ist optional, weil sie kein Bestandteil des Resonators ist beziehungsweise nicht zwingend eine hohe Reflektivität am Substrat für eine Laseraktivität nötig ist.
Das optoelektronische Bauelement kann als Teil eines Lasers betrieben werden. Eine geeignete Pumpquelle, elektrisch oder optisch, induziert stimulierte Emission im Verstärkungsmedium. Beispielsweise wird ein elektrischer Strom zum Pumpen des aktiven Bereichs, also der Quantentöpfe, über metallische Elektroden auf der Ober- und Unterseite des optoelektronischen Bauelements angelegt, zum Beispiel am photonischen Kristall und der gegenüberliegenden Oberfläche 52 des Substrats. Die Elektroden sind in der Zeichnung nicht gezeigt. In diesem Beispiel erfolgt die Laseremission über die Oberseite (angedeutet durch einen Pfeil), wo sich der photonische Kristall befindet. Die Elektrode bedeckt beispielsweise nur einen kleinen Teil einer Abstrahlfläche, zum Beispiel einen rechteckigen Bereich mit Abmessungen in der Größenordnung von 10 gm bis 100 gm. Es ist auch möglich, eine obere Elektrode zu verwenden, bei der ein rechteckiger Bereich in der Mitte entfernt wurde. Dies führt zum Pumpen der photonischen Kristallmode in ihrem äußeren Bereich, während im zentralen Bereich eine Ausgangskopplung möglich ist.
Die Laserverstärkung durch stimulierte Emission wird durch Kopplung der photonischen Kristallstruktur 11 des photonischen Kristalls 1 mit den Quantentöpfen 30 des Verstärkungsmediums als aktive Schicht (Verstärkerschicht) unterhalb der photonischen Kristallschicht 11 innerhalb der evaneszenten Felder der Moden erreicht. Dabei stellen die Begrenzungsschichten einen Abstand zwischen einem Quantentopf und einer Tunneldiode jeweils so ein, dass eine Grundmode aus dem Verstärkungsmedium auskoppelbar ist. Die aktiven Bereiche sind in der Schichtabfolge von der photonischen Struktur getrennt, um die elektrischen Ladungsträger im aktiven Bereich eingeschlossen zu halten, doch mittels der Abfolge aus Begrenzungsschichten 32 und Tunneldioden 31 mit dieser photonisch gekoppelt.
Oberhalb und unterhalb der Stapelanordnung befindet sich die optisch transparente und elektrisch leitende Mantelschicht aus dotiertem Halbleiter (äußere Begrenzungsschicht 33 und photonischem Kristall 1). Die Abfolge aus jeweiligem Quantentopf, Begrenzungsschicht und Tunneldiode führt so dazu, dass sich eine Grundmode pro Quantentopf einstellt. Durch die Anordnung mehrerer Quantentöpfe (Multi-Quantum Well) stellt sich durch Überlagerung eine „Super"-Grundmode ein, die durch Schichtdicken und relative Lage der Quantentöpfe bestimmt ist. Durch die Reflexionsschicht 53, beispielsweise Bragg-Reflektor (Bragg-Spiegel), auf einer Seite der Schichtenabfolge kann eine effizientere Leistungsextraktion erzielt werden.
Durch die Kopplung der Wellenleiter lassen sich großflächige Laser mit hoher Leistungsdichte mit nur diffraktiv limitierter Strahlkollimation erzeugen. Zudem können die optoelektronischen Bauelemente innerhalb eines Superwellenleiters arrangiert werden. Mittels der Tunneldioden können die einzelnen Quantentöpfe mit einem geringen räumlichen Abstand kohärent gekoppelt werden. Da in diesem Konzept nur eine Schicht mit photonischem Kristall nötig ist, wird zusätzlich die Herstellung erleichtert, da eine Nanostrukturierung erst nach Abscheiden der Quantentöpfe und der Tunneldioden erfolgen kann und somit keine zusätzlichen Defekte in den empfindlichsten Schichten des Bauteils verursacht werden.
Figur 2 zeigt ein weiteres Beispiel eines optoelektronischen Bauelements. Das optoelektronische Bauelement basiert auf dem vorherigen Beispiel und wurde lediglich in den folgenden Merkmalen gegenüber der Figur 1 geändert.
Die Reflexionsschicht 53 ist nunmehr auf einer äußeren Oberfläche 12 des photonischen Kristalls angeordnet. Diese Reflexionsschicht weist beispielsweise einen (Metall)- Reflektor oder einen Bragg-Spiegel (englisch: Bragg Mirror) auf und ist optional, weil sie kein Bestandteil des Resonators ist beziehungsweise nicht zwingend eine hohe Reflektivität für eine Laseraktivität nötig ist. Auf der Oberfläche 52 des Substrats kann eine Anti-Reflexionsschicht 54 (englisch: Anti-Reflection Coating) aufgebracht sein, um die Auskopplung von Laserlicht in Richtung des Substrates 5 zu unterstützen. In diesem Beispiel erfolgt Laseremission entlang der Unterseite des Bauelements (angedeutet durch einen Pfeil), also in Richtung des Substrates 5.
Figur 3 zeigt ein weiteres Beispiel eines optoelektronischen Bauelements. Das optoelektronische Bauelement ist ebenfalls eine Weiterbildung des Beispiels aus Figur 1 und wurde lediglich in den folgenden Merkmalen geändert.
Das Verstärkungsmedium 3 umfasst eine andere Schichtenabfolge als sie in Figur 1 beschrieben wurde. In der Schichtenabfolge folgt auf zunächst auf einen ersten Quantentopf eine Begrenzungsschicht 32, gefolgt von einer Tunneldiode 31. Es folgt eine weitere Begrenzungsschicht 32. Auf diese Begrenzungsschicht folgt ein zweiter Quantentopf 30, der gewissermaßen die Schichtenabfolge in Richtung zum Substrat 5 abschließt. In diesem Beispiel ist kein dritter Quantentopf vorgesehen. Stattdessen ist der zweite Quantentopf von einer äußeren Begrenzungsschicht 33 abgeschlossen. Der photonische Kristall 1 stellt eine weitere äußere Begrenzungsschicht dar.
Im Unterschied zu Figur 1 weisen die Begrenzungsschichten 32 jeweils eine andere Schichtdicke auf als die Tunneldiode 31 beziehungsweise die Quantentöpfe 30. Die Schichtdicke der Begrenzungsschichten 32 ist so gewählt, dass ein Abstand zwischen einem Quantentopf und der Tunneldiode so einstellt ist, dass mehrere Einzelmoden aus dem Verstärkungsmedium auskoppelbar sind. Durch den gewählten Abstand sind die Einzelmoden durch Energietransfer gekoppelt.
Die Laserverstärkung durch stimulierte Emission wird durch Kopplung der photonischen Kristallstruktur 11 des photonischen Kristalls 1 mit den Quantentöpfen 30 des Verstärkungsmediums als aktive Schicht (Verstärkerschicht) unterhalb der photonischen Kristallschicht 11 innerhalb der evaneszenten Felder der Moden erreicht. Dabei stellen die Begrenzungsschichten einen Abstand zwischen einem Quantentopf und der Tunneldiode jeweils so ein, dass das Verstärkungsmedium in zwei Wellenleiter geteilt ist, die jeweils eine Einzelmode ausbilden. Die aktiven Bereiche sind in der Schichtabfolge von der photonischen Struktur getrennt, um die elektrischen Ladungsträger im aktiven Bereich eingeschlossen zu halten, doch mittels der Abfolge aus Begrenzungsschichten 32 und der Tunneldiode 31 mit dieser photonisch gekoppelt. Oberhalb und unterhalb der Schichtenabfolge befindet sich die optisch transparente und elektrisch leitende Mantelschicht aus dotiertem Halbleiter (äußere Begrenzungsschicht 33 und photonischem Kristall 1).
Die Abfolge aus Quantentopf, Begrenzungsschicht und Tunneldiode führt so dazu, dass sich je eine Einzelmode pro Quantentopf beziehungsweise Wellenleiter einstellt. Durch die Wahl der Schickdicken der Quantentöpfe (Multi-Quantum Well), Tunneldiode und Begrenzungsschichten kann erreicht werden, dass die Wellenleiter kohärent gekoppelt sind. Die sich einstellenden Einzelmoden überlappen und tauschen durch Kopplung Energie aus. Dies erlaubt die Auskopplung von Laserlicht aus einem zentralen photonischen Kristall.
Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel eines optoelektronischen Bauelements. Das optoelektronische Bauelement basiert auf dem vorherigen Beispiel und wurde lediglich in den folgenden Merkmalen gegenüber der Figur 3 geändert.
Die Reflexionsschicht 53 ist nunmehr auf einer äußeren Oberfläche 12 des photonischen Kristalls angeordnet. Diese Reflexionsschicht weist beispielsweise einen (Metall)- Reflektor oder einen Bragg-Spiegel (englisch: Bragg Mirror) auf und ist optional, weil sie kein Bestandteil des Resonators ist beziehungsweise nicht zwingend eine hohe Reflektivität für eine Laseraktivität nötig ist. Auf der Oberfläche 52 des Substrats kann eine Anti-Reflexionsschicht 54 (englisch: Anti-Reflection Coating) aufgebracht sein, um die Auskopplung von Laserlicht in Richtung des Substrates 5 zu unterstützen. In diesem Beispiel erfolgt Laseremission entlang der Unterseite des Bauelements (angedeutet durch einen Pfeil) in Richtung des Substrates 5. Figur 5 zeigt ein weiteres Beispiel eines optoelektronischen Bauelements. In diesem Beispiel ist der photonische Kristall in der Schichtenabfolge angeordnet.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann der photonische Kristall auch zwischen den Wellenleitern liegen, zum Beispiel innerhalb der Tunneldiode oder in einer zwischenliegenden Begrenzungsschicht 32 (englisch: Cladding). Dünne, verlustarme Tunneldioden können von Vorteil sein. Die photonischen Kristallstrukturen können auch auf der Substratseite liegen. Durch die Struktur des photonischen Kristalls (Pitch, Füllfaktor et cetera) wird dabei die Emissionsrichtung, Wellenlänge und Divergenz mitbestimmt oder definiert .
Aufgrund der hohen Kollimationsqualität eines PCSEL findet, selbst bei einer Auskopplung durch das Substrat, keine nennenswerte Strahlaufweitung statt. Das bedeutet, dass das optoelektronische Bauelement selbst durch ein gewissermaßen „dickes" Substrat (zum Beispiel > 100 pm) nicht nennenswert in seinen optischen Eigenschaften beeinträchtigt wird und somit auch Bauelemente mit wesentlich dickeren Substraten als bislang vorgeschlagen hergestellt werden können. Um diesen Ansatz mit qualitativ hochwertigen photonischen Kristallstrukturen zu realisieren, kann der photonische Kristall in eine dielektrische Schicht strukturiert werden, statt direkt in ein Halbleitermaterial. Diese zusätzlich eingefügte Schicht kann sich nah an der aktiven Zone, also den Quantentöpfen, des Verstärkungsmediums befinden. Eine solche Strukturierung in Dielektrika kann Defekte im Halbleiter vermeiden. Figur 6 zeigt ein weiteres Beispiel eines optoelektronischen Bauelements. Das optoelektronische Bauelement umfasst eine Stapelanordnung, welche einen photonischen Kristall 1 und ein Verstärkungsmedium 3 aufweist. Das Verstärkungsmedium umfasst einen Quantentopf 30, der als aktives Medium dazu eingerichtet ist, eine elektromagnetische Welle zu emittieren .
Das Verstärkungsmedium ist auf einem transparenten Substrat 5 angeordnet. Das Substrat weist ein Halbleitermaterial auf, zum Beispiel Galliumarsenid, GaAs, Galliumnitrid, GaN, oder Indiumphosphid, InP, welches für die zu emittierende elektromagnetische Welle transparent, das heißt nicht oder nur wenig absorbierend ist. Die zu emittierende elektromagnetische Welle liegt beispielsweise im infraroten, IR, ultravioletten, UV, oder im sichtbaren, VIS, Teil des elektromagnetischen Spektrums.
Auf einer Oberfläche 52 des Substrats ist eine Anti- Reflexionsschicht 54 (englisch: Anti-Reflection Coating) aufgebracht, um die Auskopplung von Laserlicht in Richtung des Substrates 5 zu unterstützen. Ferner ist auf der Oberfläche 52 eine Elektrode 53, zum Beispiel ein n-Kontakt, angeordnet. In diesem Beispiel erfolgt Laseremission entlang der Unterseite (angedeutet durch einen Pfeil). Die Elektrode ist so ausgestaltet, dass sie nur einen kleinen Teil der Oberfläche 53 bedeckt, zum Beispiel einen rechteckigen Bereich mit Abmessungen in der Größenordnung von 10 gm bis 100 gm. Es ist auch möglich, eine Elektrode zu verwenden, bei der ein rechteckiger Bereich in der Mitte entfernt wurde.
Dies führt zum Pumpen der photonischen Kristallmode in ihrem äußeren Bereich, während im zentralen Bereich eine Ausgangskopplung möglich ist. Auf einer weiteren, der Oberfläche 52 gegenüberliegenden Oberfläche 51 des Substrats ist das Verstärkungsmedium mit einer Schichtenabfolge angeordnet. Die Schichtenabfolge umfasst unterschiedlich dotierte Halbleiter, die einen Quantentopf 30 umschließen. In diesem Beispiel ist eine erste Halbleiterschicht 34 aus n-dotiertem GaN auf der Oberfläche 51 angeordnet, gefolgt von einem Quantentopf 30. Auf dem Quantentopf wiederum ist eine zweite Halbleiterschicht 34 aus p-dotiertem GaN angeordnet.
Die Ausgestaltung des Verstärkungsmediums, insbesondere die Schichtenabfolge, kann durch eine solche aus den Figuren 1 bis 5 ersetzt oder erweitert werden, wobei die Halbleiterschichten 34 durch Begrenzungsschichten ersetzt oder ergänzt werden können. Auf diese Weise sind die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 5 mit denen der Figuren 6 bis 10 austausch- beziehungsweise ergänzbar.
Der photonische Kristall 1 ist in einer dielektrischen Schicht 14 strukturiert und elektromagnetisch mit dem Verstärkungsmedium gekoppelt. Die dielektrische Schicht 14 umfasst dabei eine erste Schicht 15, welche ein erstes dielektrisches Material aufweist, in diesem Beispiel ITO. Die photonische Struktur 11 ist in eine zweite Schicht 16 strukturiert, die ebenfalls das erste dielektrische Material aufweist. Die Strukturelemente 13 weisen ein zweites dielektrisches Material auf. Die dielektrische Schicht 14 umfasst weiterhin eine dritte Schicht 17, welche den Kontakt zum Verstärkungsmedium herstellt.
Die dielektrische Schicht 14 weist dielektrisches Material in Kombination mit einem weiteren dielektrischen Material und/oder einem transparenten leitfähigen Material auf, wie beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (kurz ITO). Als dielektrische Materialien sind insbesondere Materialien mit guten optischen Eigenschaften und gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit geeignet, während andere dielektrische Materialien mit weniger guten thermischen Eigenschaften zwar prinzipiell auch geeignet sind, aber eventuell andere Nachteile mitbringen.
ITO kann dabei mit TCO versetzt sein, wobei TCO transparente, elektrisch leitfähige Oxide bezeichnet (englisch: Transparent Conducting Oxides, TCO). Geeignete Materialien sind beispielsweise :
ITO / CaF n_TCO > n_Dielektrikum ITO / SiO n_TCO > n_Dielektrikum ITO / MgF n_TCO > n_Dielektrikum ITO / TiO n TCO < n Dielektrikum ITO / TaO n TCO < n Dielektrikum
Dabei können zum Beispiel die weiter unten angegeben Brechungsindizes herangezogen werden.
Auf dem photonischen Kristall ist ferner eine zweite Elektrode 18 angeordnet, zum Beispiel ein p-Kontakt. Die Elektrode umfasst beispielsweise ein für die zu emittierende elektromagnetische Strahlung reflektives Material (zum Beispiel Au oder Al). Optional kann die Elektrode von einem Isolator umfasst sein, der in Form einer Apertur 19 ausgestaltet ist, um eine Stromöffnung bereitzustellen.
Mittels der beiden Elektroden kann das optoelektronische Bauelement zu stimulierte Emission und Emission der elektromagnetischen Welle als Laserstrahlung angeregt werden. Im hier vorgeschlagenen Aufbau wird dabei die photonische Struktur aus einem dielektrischen Material vollständig in ein transparentes leitfähiges Material eingebettet und bildet so den photonischen Kristall. Die Schichtdicken von p-GaN und der direkt benachbarten geschlossenen ITO-Schicht sind bevorzugt sehr dünn um einen geringen Abstand (< 300 nm bevorzugt < 100 nm bis ~50 nm) des photonischen Kristalls von den Quantentöpfen sicherzustellen.Ein Vorteil dieses Ansatzes gegenüber alternativen Konzepten ist, dass nur eine relativ dünne Schicht des Halbleitermaterials im Verstärkungsmedium nötig ist. Dadurch dauert der entsprechende Epitaxieprozess deutlich kürzer und erlaubt so ein kostengünstiges Bauteil mit vergleichsweise einfacher Architektur .
Figur 7 zeigt ein weiteres Beispiel eines optoelektronischen Bauelements. Das optoelektronische Bauelement entspricht dem Beispiel aus Figur 6, doch weist dieses Ausführungsbeispiel zusätzlich zur photonischen Struktur eine Apertur 20 auf. Diese kann direkt aus dem gleichen Materialsystem bestehen wie der photonische Kristall und/oder aus einem anderen Material wie beispielsweise Metall. Die Apertur begrenzt beispielsweise die dielektrische Schicht (zum Beispiel die Schichten 16, 17). Durch die Apertur lässt sich
Lasercharakteristik, wie Strahlaufweitung beziehungsweise Divergenz vorteilhaft beeinflussen.
Figur 8 zeigt ein weiteres Beispiel eines optoelektronischen Bauelements. Das optoelektronisches Bauelement entspricht dem Beispiel aus Figur 6 mit dem Unterschied, dass die dielektrische Schicht 14 lediglich die erste und zweite Schicht 15, 16 umfasst und keine dritte Schicht 17. Der Kontakt zum Verstärkungsmedium ist stattdessen direkt mittels der zweiten Schicht 16 hergestellt. In diesem Aufbau wird so der Abstand zwischen der photonischen Struktur und den Quantentöpfen noch weiter reduziert, indem keine geschlossene dielektrische Schicht, beispielsweise ITO-Schicht, zwischen p-GaN und photonischem Kristall vorgesehen ist. Hierbei ist es wichtig, dass trotzdem ein guter Ladungstransport zur aktiven Zone erfolgen kann. Auch in diesem Fall kann eine Apertur 19 auf dem photonischen Kristall beziehungsweise in diesen einstrukturiert werden.
Figur 9 zeigt ein weiteres Beispiel eines optoelektronischen Bauelements. Das optoelektronische Bauelement ist eine Weiterführung der Figur 8 mit dem Unterschied, dass der photonische Kristall in eine dielektrische Schicht 14 strukturiert ist, die kein leitfähiges Material aufweist. Beispielsweise weist die dielektrische Schicht zwei dielektrische Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes auf. Um trotzdem eine gute Kontaktierung sicherzustellen, wird eine Zwischenschicht 35 in der Schichtabfolge mit sehr guter Querleitfähigkeit (zum Beispiel p++ GaN) zwischen dem photonischem Kristall 1 und dem Verstärkungsmedium 3 eingefügt .
Auf dem photonischen Kristall ist ferner eine zweite Elektrode 18 angeordnet, zum Beispiel ein p-Kontakt. Die dielektrische Schicht 14 ist in der Elektrode eingebettet.
Die Elektrode umfasst ein für die zu emittierende elektromagnetische Strahlung reflektives Material (zum Beispiel Au oder Al). Optional kann die Elektrode von einem Isolator umfasst sein, der in Form einer (Strom-)Apertur 19 ausgestaltet ist, um eine Stromöffnung bereitzustellen.
Ferner kann das Substrat 5 auf der Oberfläche 52 ebenfalls eine (Strom-)Apertur 19 sowie eine Elektrode 55, zum Beispiel ein n-Kontakt, und eine Anti-Reflexionsschicht 54 aufweisen. Figur 10 zeigt ein weiteres Beispiel eines optoelektronischen Bauelements. Das optoelektronische Bauelement ist eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels der Figur 9. In diesem Aufbau wird der photonische Kristall durch eine Kombination von leitfähigem Material (zum Beispiel TCO) und Dielektrika strukturiert, beispielsweise besteht das leitfähige Material aus zwei unterschiedlichen TCO-Materialien oder das TCO ist mit zwei unterschiedlichen Verfahren abgeschieden. Dabei wird zunächst mittels zum Beispiel ALD ein TCOl-Film 21 abgeschieden, der sich in die Tiefen des photonischen Kristalls abscheidet und dort den Kontakt zu GaN p++ herstellt. Im nächsten Schritt wird ein planarer TC02-Film 22 abgeschieden, welcher die photonischen Kristalle plan verschließt, aber nicht auffüllt. Der p-Kontakt wird somit über TC02 und TCOl an p-GaN realisiert.
Als Resultat umfasst die dielektrische Schicht 14 die erste Schicht 15, in die die Strukturelemente 13 eingebettet sind. Die Schicht 15 und die Strukturelemente sind mit dem Film 21 bedeckt. Der Film 22 bildet einen planaren Verschluss auf dem Film 21.
Das optoelektronische Bauelement kann weitergebildet werden. Beispielsweise wird die photonische Kristallstruktur mittels einer Abformung einer formhaltigen Schicht, wie zum Beispiel Silizium, prozessiert. Das Silizium wird dabei strukturiert. Anschließend wird das Dielektrikum abgeschieden - es formt das Silizium ab. Danach wird das Silizium wieder entfernt (je nach Wellenlänge/Absorption von Si bei der Wellenlänge kann das Silizium jedoch auch bleiben). Der weitere Prozess kann wie bei Figur 10 beschrieben erfolgen. Generell kann anstatt eines Dielektrikums auch ein zum Beispiel a.Si verwendet werden mit hohem Brechungsindex. Aufgrund der dünnen Schicht ist die Absorption in Si - selbst bei zum Beispiel 450 nm vertretbar (zum Beispiel 80 % Transmission bei 100 nm Dicke bei 450 nm). Da das Si aber nur einen Teil des photonischen Kristalls belegt, ist die Transmission wesentlich höher (Füllfaktor). a-Si hat gegenüber anderen Dielektrika zum Beispiel den Vorteil, dass es sehr genau strukturierbar ist.
Das hier vorgestellte Konzept bietet sich für GaN-basierte PC-VCSEL, kann aber auch für GaAs- und InP-basierte Systeme verwendet werden. Insbesondere da hier die Vorteile doch deutlich werden. Prinzipiell kann auf der Substratseite auch ein Spiegel verwendet werden. Die Ausführungsbeispiele können für eine Auskopplung von Laseremission auch über die Oberseite eingerichtet werden, wobei dazu beispielsweise die Metallisierung angepasst wird.
SiO n = 1.465
SiN n = 2.055
TaO n ~ 2.16
TiO, n ~ 2.8
NbO n ~ 2.445
HfO n ~ 1.91
CaF n = 1.438
MgF2 n = 1.38
A10 n - 1.77
A1N n ~ 2.2
ITO n ~ 1.9 (je nach TCO Material)
GaN n ~ 2.46
Die Bezeichnung ITO steht hier stellvertretend für diverse TCO- (Transparent, Conductive Oxid) Materialien, ITO ist eines davon. Figur 11 zeigt ein weiteres Beispiel eines optoelektronischen Bauelements. Das optoelektronische Bauelement umfasst eine Stapelanordnung, welche einen photonischen Kristall und ein Verstärkungsmedium aufweist. Das Verstärkungsmedium umfasst einen Quantentopf 30, der als aktives Medium dazu eingerichtet ist, eine elektromagnetische Welle zu emittieren .
Das Verstärkungsmedium ist auf einem transparenten Substrat 5 angeordnet. Das Substrat weist ein Halbleitermaterial auf, zum Beispiel Galliumarsenid, GaAs, Galliumnitrid, GaN, oder Indiumphosphid, InP, welches für die zu emittierende elektromagnetische Welle transparent, das heißt nicht oder nur wenig absorbierend, ist. Die zu emittierende elektromagnetische Welle liegt beispielsweise im infraroten, IR, ultravioletten, UV, oder im sichtbaren, VIS, Teil des elektromagnetischen Spektrums. Das Verstärkungsmedium weist zwei Halbleiterschichten 34 auf. Eine erste Halbleiterschicht ist beispielsweise p-dotiert und eine zweite Halbleiterschicht ist n-dotiert. In diesem Beispiel ist die zweite Halbleiterschicht dem Verstärkungsmedium zugewandt und n-dotiert (beispielsweise nGaN) und die erste Halbleiterschicht ist einer leitfähigen Schicht 21 zugewandt und p-dotiert (beispielsweise pGaN).
Die Ausgestaltung des Verstärkungsmediums dieser und der folgenden Ausführungsformen, insbesondere die Schichtenabfolge, kann durch eine solche aus den Figuren 1 bis 10 ersetzt oder erweitert werden, wobei die Halbleiterschichten 34 beispielsweise durch
Begrenzungsschichten ersetzt oder ergänzt werden können. Auf diese Weise sind die gezeigten Ausführungsbeispiele austausch- beziehungsweise ergänzbar. Ein photonischer Kristall ist in der leitfähigen Schicht 21 strukturiert und elektromagnetisch mit dem Verstärkungsmedium gekoppelt. Die leitfähige Schicht 21 umfasst dabei eine erste Schicht 22, welche ein erstes leitfähiges Material aufweist. Dies kann ein TCO sein, wobei "TCO" transparente, elektrisch leitfähige Oxide bezeichnet (englisch: Transparent Conducting Oxides, TCO). In diesem Beispiel ist das erste leitfähige Material ITO. Die erste Schicht 22 dient dem lateralen Verschluss des optoelektronischen Bauelements. Eine photonische Struktur ist in eine zweite Schicht 23 strukturiert, die ebenfalls das erste leitfähige Material aufweist. Die photonische Struktur wird durch Strukturelemente 25 gebildet (englisch: Voids). Die Strukturelemente sind auf der rechten Abbildung in Vergrößerung dargestellt und liegen beispielsweise in der Größenordnung der Emissionswellenlänge des optoelektronischen Bauteils, zum Beispiel um 300 nm. Die Strukturierung der zweiten Schicht 23 und damit der Strukturelemente 25 erfolgt beispielsweise durch einen Edging-Prozess. Die leitfähige Schicht 21 umfasst weiterhin eine dritte Schicht 24, welche den Kontakt zum Verstärkungsmedium 3 herstellt. In diesem Beispiel ist die dritte leitfähige Schicht 24 planar auf einer Oberfläche des Verstärkungsmediums angeordnet.
Die leitfähige Schicht 21 beziehungsweise die Schichten 22, 23, 24 können durch unterschiedliche Abscheideverfahren hergestellt werden, zum Beispiel Atomic Layer Deposition (ALD), Sputtermethodiken oder Einstellungen. Eine Variante mit zugewachsenen oder übersputterten Voids 25 hat noch den Vorteil, dass die geätzten Strukturen ursprünglich größer sein können als sie am Ende benötigt werden (da sie beim Sputtern teilweise wieder Zuwachsen). Dadurch steht mehr Freiheit oder weitere Optionen bezüglich der
Strukturierungsprozesse und Auflösung zur Verfügung. So kann insbesondere auf geschlossenen Strukturen eine Anti- Reflexionsschicht (englisch: Anti-Reflection Coating, AR) aufgebracht werden.
Figur 12 zeigt ein weiteres Beispiel eines optoelektronischen Bauelements. Das optoelektronische Bauelement, insbesondere die leitfähige Schicht 21 aus Figur 11, kann mittels Ätzen und Masken strukturiert werden. Dabei können unterschiedlich tiefe Strukturelemente 25 hergestellt werden.
Die linke Zeichnung zeigt eine Strukturierung, die durch eine Kombination aus zwei Lithografieschritten mit jeweils einem nachfolgenden Ätzschritt erzielt werden kann. Alternativ kann ein Schritt Grau-Lithografie und ein Ätzschritt erfolgen, was eine gute Justage zwischen Untergittern erlaubt. Durch beide Alternativen können unterschiedlich tiefe Strukturen 26, 27 in die zweite Schicht 23 eingebracht werden. Diese Strukturen können dann durch Aufbringen der zweiten Schicht 23 allein und/oder zusammen mit der ersten Schicht 22 gebildet werden und formen so die Strukturelemente 25. Die rechte Zeichnung zeigt die in der Folge geformten Strukturelemente. Das leitfähige Material, beispielsweise ITO, kann durch Sputtern aufgebracht werden und die Strukturen 26, 27 verkapseln. Ferner kann in diesem Schritt auch die erste Schicht 22 aufgebracht werden und abschließend planarisiert werden.
Figur 13 zeigt weitere Beispiele eines optoelektronischen Bauelements. Die Zeichnung links zeigt das optoelektronische Bauelement gemäß Figur 11, wobei zusätzlich eine elektrische Kontaktierung gezeigt ist. Auf einer Oberfläche 52 des Substrats ist eine Elektrode 53, zum Beispiel ein n-Kontakt, angeordnet. Optional kann auf der Oberfläche 52 eine Anti- Reflexionsschicht (englisch: Anti-Reflection Coating) aufgebracht sein, um die Auskopplung von Laserlicht zu unterstützen .
In diesem Beispiel erfolgt Laseremission entlang der Unterseite 52. Die Elektrode ist so ausgestaltet, dass sie nur einen kleinen Teil der Oberfläche 52 bedeckt, zum Beispiel einen rechteckigen Bereich mit Abmessungen in der Größenordnung von 10 gm bis 100 gm. Es ist auch möglich, eine Elektrode zu verwenden, bei der ein rechteckiger Bereich in der Mitte entfernt wurde. Dies führt zum Pumpen der photonischen Kristallmode in ihrem äußeren Bereich, während im zentralen Bereich eine Ausgangskopplung möglich ist.
Auf dem photonischen Kristall ist ferner eine zweite Elektrode 18 angeordnet, zum Beispiel ein p-Kontakt. Die Elektrode umfasst beispielsweise ein für die zu emittierende elektromagnetische Strahlung reflektives Material (zum Beispiel Au oder Al). Die zweite Elektrode 18 erlaubt eine Kontaktierung von der Rückseite. Optional kann die erste oder die zweite Elektrode von einem Isolator umfasst sein, der in Form einer Apertur 19 ausgestaltet ist, um eine Stromöffnung bereitzustellen.
Auf der rechten Seite der Zeichnung ist eine alternative Anordnung der zweiten Elektrode 18 gezeigt. Statt auf der Oberfläche 52 des Substrats ist die Elektrode in die Halbleiterschicht 34 und neben das Verstärkungsmedium, beispielsweise in der dem Verstärkungsmedium zugewandten zweiten, n-dotierten Halbleiterschicht, angeordnet. Die zweite Elektrode 18 erlaubt so eine Kontaktierung von der Vorderseite . Mittels der beiden Elektroden kann das optoelektronische Bauelement zu stimulierte Emission und Emission der elektromagnetischen Welle als Laserstrahlung angeregt werden. Im hier vorgeschlagenen Aufbau wird dabei die photonische Struktur aus einem leitfähigen Material vollständig in ein transparentes leitfähiges Material eingebettet und bildet so den photonischen Kristall. Die Elektroden sind so eingerichtet, dass Emission auf der Substratseite mittels der Apertur 19 der ersten Elektrode erfolgt.
Figur 14 zeigt weitere Beispiele eines optoelektronischen Bauelements. Die Zeichnung links zeigt das optoelektronische Bauelement gemäß Figur 12 (links), wobei zusätzlich ein Reflektor 26, insbesondere ein epi-DBR-Reflektor, auf oder im Substrat angeordnet ist. Die Elektroden sind so eingerichtet, dass Emission auf der Oberseite mittels der Apertur 19 der ersten Elektrode erfolgt.
Figur 15 zeigt ein weiteres Beispiel eines optoelektronischen Bauelements. Dieses Bauelement entspricht dem gemäß Figur 11, wobei die leitfähige Schicht 21 offen ist, das heißt es ist keine erste Schicht 21 für einen lateralen Verschluss des optoelektronischen Bauelements vorgesehen. Die Strukturen 26, 27 verbleiben ohne Verkapslung und formen so die Strukturelemente des optoelektronischen Bauelements. Eine Stromverteilung kann sich lateral in der leitfähigen Schicht 21 ausbilden, beispielsweise in Zwischenstegen des ITO.
Figur 16 zeigt weitere Beispiele eines optoelektronischen Bauelements. Diese Bauelemente entsprechen denen gemäß Figur 15, wobei zusätzlich je ein Reflektor, insbesondere ein epi- DBR-Reflektor, auf oder im Substrat angeordnet sind. Es werden die Prioritäten der deutschen Patentanmeldungen DE 102021113598.2 und DE 102021128124.5 beansprucht, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste
I photonischer Kristall
3 Verstärkungsmedium
5 Substrat
II photonische Struktur
12 Oberfläche photonischer Kristall
13 Strukturelemente
14 dielektrische Schicht
15 erste Schicht
16 zweite Schicht
17 dritte Schicht
18 Elektrode
19 (Strom)Apertur
20 Apertur
21 leitfähige Schicht
22 erste Schicht
23 zweite Schicht
24 dritte Schicht
25 Strukturelemente
26 Reflektor
30 Quantentopf (Quantum Well)
31 Tunneldiode (Tunnel Junction)
32 Begrenzungsschicht (Cladding)
33 äußere Begrenzungsschicht
34 Halbleiterschicht
35 Zwischenschicht
51 Oberfläche
52 Oberfläche
53 Reflexionsschicht
54 Anti-Reflexionsschicht
55 Elektrode

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Bauelement umfassend eine Stapelanordnung, welche einen photonischen Kristall (1) und ein Verstärkungsmedium (3) aufweist, wobei: das Verstärkungsmedium eine Schichtenabfolge aus wenigstens zwei Quantentöpfen (30) und wenigstens einer Tunneldiode (31) umfasst und dazu eingerichtet ist, eine elektromagnetische Welle zu emittieren, der photonische Kristall (1) elektromagnetisch mit dem Verstärkungsmedium gekoppelt ist, und die Stapelanordnung auf einem Substrat (5) angeordnet ist.
2. Optoelektronisches Bauelement umfassend eine Stapelanordnung, welche einen photonischen Kristall (1) und ein Verstärkungsmedium (3) aufweist, wobei: das Verstärkungsmedium wenigstens einen Quantentopf (30) umfasst und dazu eingerichtet ist, eine elektromagnetische Welle zu emittieren, der photonische Kristall (1) in einer dielektrischen Schicht (14) strukturiert ist und elektromagnetisch mit dem Verstärkungsmedium gekoppelt ist, und die Stapelanordnung auf einem Substrat (5) angeordnet ist.
3. Optoelektronisches Bauelement umfassend eine Stapelanordnung, welche einen photonischen Kristall (1) und ein Verstärkungsmedium (3) aufweist, wobei: das Verstärkungsmedium wenigstens einen Quantentopf (30) umfasst und dazu eingerichtet ist, eine elektromagnetische Welle zu emittieren, der photonische Kristall (1) in einer leitfähigen Schicht (21) strukturiert ist und elektromagnetisch mit dem Verstärkungsmedium gekoppelt ist, und die Stapelanordnung auf einem Substrat (5) angeordnet ist.
4. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei: die Schichtenabfolge die wenigstens zwei Quantentöpfe (30) und die wenigstens eine Tunneldiode umfasst (31), als auch der photonische Kristall (1) in der dielektrischen Schicht (14) strukturiert ist.
5. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der photonische Kristall (1) derart vom Verstärkungsmedium (3) umfasst ist, dass der photonische Kristall in der Schichtenabfolge angeordnet ist.
6. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der photonische Kristall (1) derart vom Verstärkungsmedium (3) getrennt angeordnet ist, dass der photonische Kristall auf einer äußeren Schicht der Schichtenabfolge angeordnet ist.
7. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: das Verstärkungsmedium (3) eine oder mehrere Begrenzungsschichten (32) aufweist, und die eine oder mehreren Begrenzungsschichten derart in der Schichtenabfolge angeordnet sind, dass ein Quantentopf (30) von einer Tunneldiode (31) beabstandet ist.
8. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 7, wobei die eine oder mehreren Begrenzungsschichten (32) einen Abstand zwischen Quantentopf (30) und Tunneldiode (31) jeweils so einstellen, dass eine Grundmode aus dem Verstärkungsmedium (3) auskoppelbar ist.
9. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 7, wobei die eine oder mehreren Begrenzungsschichten (32) einen Abstand zwischen Quantentopf (30) und Tunneldiode (31) jeweils so einstellt, dass mehrere Einzelmoden aus dem Verstärkungsmedium (3) auskoppelbar sind und die Einzelmoden durch Energietransfer gekoppelt sind.
10. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der photonische Kristall (1) eine Begrenzungsschicht (33) umfasst.
11. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die dielektrische Schicht (14) umfasst:
- ein erstes dielektrisches Material,
- ein zweites dielektrisches Material und/oder ein im Bereich der elektromagnetischen Welle transparentes leitfähiges Material, und/oder wobei die leitfähige Schicht (21) umfasst:
- ein erstes leitfähiges Material,
- ein zweites leitfähiges Material und/oder ein im Bereich der elektromagnetischen Welle transparentes dielektrisches Material .
12. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 11, wobei eine photonische Kristallstruktur (11) des photonischen Kristalls (1) das erste dielektrische Material aufweist und vollständig im zweiten dielektrischen Material und/oder dem transparenten leitfähigen Material eingebettet ist.
13. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 12, wobei: die photonische Kristallstruktur (11) des photonischen Kristalls (1) zumindest teilweise auf einer einem Quantentopf zugewandten Seite nicht im zweiten dielektrischen Material und/oder dem transparenten leitfähigen Material eingebettet ist.
14. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 12 oder 13, wobei eine photonische Kristallstruktur (11) des photonischen Kristalls (1) in direktem Kontakt mit dem Verstärkungsmedium (3) steht.
15. Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der photonische Kristall (1) in eine Schicht ohne leitfähiges Material strukturiert ist.
16. Laser umfassend:
- eines oder mehrere der optoelektronischen Bauelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 15, und
- eine Pumpquelle eingerichtet zum Anregen von stimulierter Emission mittels des Verstärkungsmediums.
PCT/EP2022/063415 2021-05-26 2022-05-18 Optoelektronisches bauelement und laser WO2022248301A1 (de)

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