WO2023169739A1 - Laser assembly, optoelectronic system and method for producing a laser assembly - Google Patents

Laser assembly, optoelectronic system and method for producing a laser assembly Download PDF

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WO2023169739A1
WO2023169739A1 PCT/EP2023/052046 EP2023052046W WO2023169739A1 WO 2023169739 A1 WO2023169739 A1 WO 2023169739A1 EP 2023052046 W EP2023052046 W EP 2023052046W WO 2023169739 A1 WO2023169739 A1 WO 2023169739A1
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waveguide layer
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waveguide
laser arrangement
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Hubert Halbritter
Christoph Eichler
Martin Rudolf Behringer
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Ams-Osram International Gmbh
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    • H01S5/34333Structure 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

  • LASER ARRANGEMENT OPTOELECTRONIC SYSTEM AND METHOD FOR PRODUCING A LASER ARRANGEMENT
  • Photonic crystals Structures that are formed by the periodic modulation of the refractive index of the medium used are called photonic crystals.
  • a surface-emitting photonic crystal laser (Photonic Crystal Surface Emitting Laser, PCSEL ), hereinafter sometimes referred to as laser, laser arrangement or PCSEL, has an active layer that emits electromagnetic radiation when a drive current is applied.
  • Doped layers, in particular waveguide layers, can be arranged on both sides of the active layer, with the photonic crystal being formed in one of these waveguide layers.
  • the photonic crystal is formed into the corresponding waveguide layer by dry etching, so that the resulting trenches or cavities in the waveguide layer form zones whose refractive index differs from the refractive index of the remaining waveguide layer.
  • the structuring of the waveguide layer can cause etching damage, especially crystal damage in the waveguide layer. Since the waveguide layers also serve to transport electrical charge carriers to the active layer, the etching damage can lead to high electrical resistances, which can be accompanied by inhomogeneous current injection and thus a reduction in beam quality.
  • At least one task of certain embodiments is to provide a laser arrangement with high beam quality. Another task of certain embodiments is to specify an optoelectronic system that has such a laser arrangement. In addition, it is a task of certain embodiments to specify a method for producing such a laser arrangement.
  • a laser arrangement has an electrically contactable first waveguide layer which has a first conductivity type.
  • the laser arrangement further has a second waveguide layer which has a second conductivity type that is opposite to the first conductivity type.
  • the laser arrangement further has an active layer for generating electromagnetic radiation through charge carrier recombination, the active layer being arranged between the first waveguide layer and the second waveguide layer.
  • Electromagnetic radiation can be referred to below as “radiation” or “light”. Radiation or light can in particular be electromagnetic radiation with a or denote several wavelengths or wavelength ranges.
  • the active layer has a first main surface on which the first waveguide layer is arranged and a second main surface opposite the first main surface and on which the second waveguide layer is arranged.
  • the active layer has a main extension plane that runs in lateral directions. The first and second main surfaces are parallel to the lateral directions.
  • the active layer has a thickness in a transverse direction perpendicular to the lateral directions.
  • the electromagnetic radiation generated by the active layer is guided in the first and second waveguide layers.
  • the first and second waveguide layers form a waveguide in which the active layer is embedded. An optical wave is guided in a lateral direction in the waveguide.
  • the active layer forms at least one quantum well, which is intended and designed to emit electromagnetic radiation of a predetermined wavelength when a driver current is applied.
  • the active layer preferably comprises at least one quantum well in the form of a 2D quantum well (quantum well) or ID quantum well (quantum wire) or OD quantum well (quantum dot).
  • the active layer comprises a plurality of 2D quantum wells arranged one above the other in the transverse direction, each of which is separated by a barrier layer. This can mean that the active layer can comprise a plurality of layers that form at least one quantum well.
  • a 2D quantum well can be formed by a thin intermediate layer of a first material, e.g. B.
  • barrier layers of a second material e.g. B. about 3-10 nm thick
  • the barrier layers have a larger band gap than the intermediate layer. This creates a potential gap in the conduction and valence band between the two material groups, with a potential minimum being formed in the intermediate layer. Due to the quantization of the system, charge carriers in the intermediate layer can only assume discrete energy values.
  • the active layer forms at least one quantum well and at most one hundred quantum wells.
  • the active layer preferably forms between two and ten quantum wells.
  • the active layer can also be referred to as a “multi quantum well”, MQW.
  • MQW multi quantum well
  • first and a last layer of the layer stack formed by the active layer can be intended and designed to enclose charge carriers in the active layer, i.e. H . from leaving the active layer (“confinement”). This means that the first and last layers can be designed as electron barriers with a larger band gap.
  • the active layer, the first and the second waveguide layers may preferably comprise a semiconductor material.
  • the semiconductor material is, for example, a II IV compound semiconductor material.
  • the semiconductor material is preferably a nitride compound semiconductor material, such as Al n In]__ nm Ga m N, where 0 ⁇ n ⁇ 1, 0 ⁇ m ⁇ 1 and m + n ⁇ 1.
  • the corresponding semiconducting layer can have dopants and additional components.
  • the first waveguide layer comprises at least one n-GaN layer.
  • the second waveguide layer comprises at least one p-GaN layer.
  • n and “p” denote the conductivity type of the corresponding layer.
  • the first waveguide layer, the second waveguide layer and the active layer may comprise or consist of multiple layers. Materials such as InGaN (with sometimes different In contents) or GaN are preferably used near the active layer.
  • the waveguide layers can comprise cladding layers.
  • the cladding layers can have or consist of one or more AlGaN layers.
  • the laser arrangement further has zones which are arranged periodically relative to one another and which are arranged in the first waveguide layer or in the second waveguide layer.
  • the zones have a refractive index that differs from a refractive index of the waveguide layer embedding the zones.
  • the zones form a two-dimensional photonic crystal with this waveguide layer.
  • the photonic crystal is designed to influence the electromagnetic radiation generated by the active layer.
  • the photonic crystal scatters the radiation in the transverse direction.
  • the zones can contain a gas, e.g. B. Air, or a material, e.g. B. an oxide.
  • the zones can be defined by recesses in the respective waveguide layer, the recesses being formed into the waveguide layer by etching.
  • the zones can be etching trenches in the waveguide layer, whereby the trenches can be filled with a material.
  • the zones can have a significantly lower refractive index than the corresponding material used for the waveguide layer.
  • the zones are related to each other arranged regularly. This can mean that the zones are arranged in a matrix or - in a top view - are located at intersections of a grid.
  • a grating period can be chosen to substantially coincide with a wavelength of the radiation generated by the active layer, or with a fraction, e.g. B. 1/4 or 1/2, this wavelength, or a multiple of this wavelength essentially matches. In this way, the Bragg condition is satisfied to achieve 2D feedback in the plane of the photonic crystal and light emission perpendicular to it.
  • the grating period is defined by the periodically arranged zones. In the waveguide layer embedding the zones, the wavelength of the electromagnetic radiation depends on an effective refractive index, where
  • n e ff ⁇ 10 — bg • n e ff applies, with the vacuum wavelength X o , the wavelength in the second waveguide layer X G and the effective refractive index n e ff .
  • the effective refractive index of the waveguide layer is based on the refractive indices of the waveguide layer itself and the zones, and on their proportions in the waveguide layer. This means that the choice of a diameter of the zones influences the wavelength in the waveguide layer.
  • the ratio between the diameter of the zones and the grating period can be chosen to be as small as possible in order to improve the quality factor (Q factor) of the emission.
  • Q factor quality factor
  • Electromagnetic radiation moving through the photonic crystal is reflected at the interfaces of the zones, i.e. H . generally due to irregularities, scattered. Scattered waves of electromagnetic radiation can interfere constructively or destructively with each other and with the original wave. Since these irregularities, i.e. H . the zones, being periodically distributed, can potentially achieve complete destructive interference or the formation of coherent radiation.
  • electromagnetic radiation can only propagate in certain directions of the lattice and is reflected when it is directed in so-called forbidden directions. This can lead to the formation of a standing wave, whereby the radiation is repeatedly scattered at various non-uniformities and constructively interferes with itself.
  • the standing wave is formed by multiple Bragg diffractions.
  • Photonic crystals in particular two-dimensional photonic crystals, can be advantageously used in laser arrangements, whereby a so-called surface-emitting photonic crystal laser, PCSEL, can be formed. Stimulated light emission is achieved by coupling the modes of the photonic crystal with the active layer of the laser. This leads to the feedback effect described above within the crystal plane.
  • coherent radiation is also emitted perpendicular to the crystal surface. It is also possible for coherent radiation to be emitted at an angle other than 90° to the crystal surface.
  • the emitted radiation can be characterized primarily by its monomode, its narrow radiation profile and They are characterized by their high output power over a large radiation area.
  • a periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least one intermediate region of the waveguide layer embedding the zones.
  • the laser arrangement has at least one intermediate region in the respective waveguide layer, but it can also include a large number of intermediate regions. No zones are arranged in the at least one intermediate area, i.e. H . it is free of zones. This can mean that no trench etching has been carried out in the intermediate area.
  • the at least one intermediate region can preferably be wider than a distance between two adjacent zones within the periodic zone arrangement. In other words, the arrangement of the zones is exposed in the intermediate region of the waveguide layer embedding the zones, so that at least this intermediate region has an intact crystal structure.
  • the electrical conductivity of the respective waveguide layer can thus be improved.
  • the intermediate region only slightly influences the optical properties of the photonic crystal.
  • the intermediate region can therefore serve as a defect-free driver current supply line to the active layer.
  • the at least one intermediate region forms an island within the phonic crystal structure, via which the driver current can be routed to the active layer without loss.
  • the laser arrangement is therefore characterized in particular by the fact that the structuring of the photonic crystal is suspended at suitable locations in order to enable defect-free power supply lines. In this way the Current injection can be carried out much more homogeneously and the beam quality can therefore be improved.
  • a laser arrangement has the following features: an electrically contactable first waveguide layer which has a first conductivity type, a second waveguide layer which has a second conductivity type which is opposite to the first conductivity type, an active layer for generating electromagnetic radiation by charge carrier recombination, the active layer being arranged between the first waveguide layer and the second waveguide layer, and zones arranged periodically to one another, which are arranged in the first waveguide layer or in the second waveguide layer, the zones having a refractive index which is from a refractive index of the waveguide layer embedding the zones and form a two-dimensional photonic crystal with this waveguide layer.
  • a periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least one intermediate region of the waveguide layer embedding the zones.
  • the at least one intermediate region in the lateral direction, is wider than a distance between two adjacent zones within the periodic zone arrangement.
  • This can mean that the intermediate region is wider than a lattice period of the photonic crystal outside the intermediate region.
  • the intermediate region is at least 1.1 times or at least 1.5 times or at least 2.0 times as wide as the distance between two adjacent zones within the periodic zone arrangement.
  • an area around the etching may possibly be damaged by the crystal.
  • the zones are defined by trenches or cavities in the waveguide layer embedding the zones. If the zones are defined by trenches, these trenches extend from a surface of the respective waveguide layer facing away from the active layer into this waveguide layer.
  • the diameter of the trenches is in the nanometer range.
  • the trenches have a diameter of at least 5 nm and at most 1000 nm.
  • the trenches preferably have a diameter of at least 10 nm and at most 50 nm.
  • the trenches can also be referred to as holes or nano-holes, and vice versa.
  • the shape of the trenches can be cylindrical, i.e. H .
  • the trenches can have a circular or elliptical profile. But it is also possible that the Trenches have a different profile, for example a polygonal, in particular triangular or square, profile. It may also be the case that at least two trenches have different profiles.
  • the profile of the trenches affects a mode profile of the photonic crystal. For example, certain symmetries can lead to so-called leaky modes or non-leaky modes and thus influence the radiation efficiency of the laser arrangement.
  • the trenches In the transverse direction, the trenches end in the respective waveguide layer. This means that there is a trench foot in the waveguide layer and the trench foot is spaced from the active layer.
  • the trenches can be of different depths.
  • a depth of the trenches can correspond to 10-90%, 50-90% or 70-90% of the thickness of the corrugated layer, for example corresponding to 80% of the thickness of the corrugated layer.
  • the trenches can penetrate the waveguide layer up to 90%. This can mean in particular that an overlap of the optical wave with the trenches can be large.
  • the trenches allow a photonic crystal to be formed efficiently. In particular, no overgrowth is necessary. If the zones are formed by cavities in the respective waveguide layer, they are completely embedded in this waveguide layer. This can mean in particular that the zones do not extend to the surface of the waveguide layer, but rather are covered by this.
  • the first electrical conductivity type is the n-type.
  • the second electrical conductivity type is the p-type.
  • the assignment of the leadership ability types can also be reversed.
  • the zones are arranged in the first waveguide layer.
  • the zones are arranged in the second waveguide layer. Etching n-GaN layers can produce many defects, which is why the realization of the zones in the p-doped waveguide layer may be preferred.
  • the laser arrangement further has an accumulation layer which is arranged between the active layer and the second waveguide layer.
  • the accumulation layer is designed so that it provides an accumulation of electrically positive charge carriers in lateral directions.
  • the accumulation layer can be formed by a heterojunction. This can mean that between the active layer, which can contain one or more quantum wells, and the second waveguide layer, there is a heterojunction from a layer with a high band gap (e.g. AlGaN) to a layer with a low band gap (e.g. GaN or InGaN) is arranged. Due to piezo fields, a collection of holes or a "hole gas" forms at this junction, which can contribute to a current expansion thanks to a higher lateral mobility of the charge carriers.
  • the heterojunction can, for example, with the growth of an electron barrier at the active Layer can be connected.
  • the electron barrier can be part of the active layer or alternatively part of the accumulation layer. As explained above, the electron barrier is intended to reduce the overflow of electrons from the active layer.
  • the electron barrier can prevent electrons from overflowing on the side facing the active layer and can provide the required heterojunction on the side facing away from the active layer.
  • the laser arrangement further has a first contact layer which is arranged on the side of the first waveguide layer facing away from the active layer.
  • the first contact layer is intended to provide electrical contact to the first waveguide layer.
  • the laser arrangement further has a second contact layer which is arranged on the side of the second waveguide layer facing away from the active layer.
  • the second contact layer is intended to provide electrical contact to the second waveguide layer.
  • the first and second contact layers can have a highly doped semiconductor material (e.g. GaN) and/or a metal.
  • the first and second contact layers preferably comprise or consist of a metal, such as Ag, Pt, Au, Pd, Ti.
  • the first and second contact layers can also be designed as a reflective layer, especially if they comprise a metal.
  • a drive current can be introduced into the laser arrangement via the first and second contact layers, the drive current is transported to the active layer via the respective waveguide layers.
  • the first contact layer forms an aperture which is intended to couple electromagnetic radiation from the laser arrangement.
  • the second contact layer can be applied over the entire surface on or above the second waveguide layer.
  • the laser arrangement can be used as a so-called. “Bottom emitter”. Starting from the active layer, electromagnetic radiation can leave the laser arrangement via the aperture on the first waveguide layer.
  • the second contact layer forms an aperture which is intended to couple electromagnetic radiation from the laser arrangement.
  • the first contact layer can be applied over the entire surface on or above the first waveguide layer.
  • the laser arrangement can be used as a so-called. “Top emitter”. Starting from the active layer, electromagnetic radiation can leave the laser arrangement via the aperture on the second waveguide layer.
  • the laser arrangement further has a dielectric layer arranged between the second contact layer and the second waveguide layer.
  • the dielectric layer has a high electrical resistance, so that direct electrical contact between the second waveguide layer and the second contact layer is reduced in areas in which the dielectric layer is arranged.
  • the dielectric layer is preferably arranged in edge regions of the laser arrangement. This means that the drive current is only transported to the active layer via a central area of the laser arrangement. This allows the homogeneity of the current density to be increased.
  • the laser arrangement further has a crystal-damaged layer arranged between the second contact layer and the second waveguide layer. Similar to the dielectric layer, a crystal damaged layer has increased electrical resistance. In this way, a current flow in edge regions of the laser arrangement can also be reduced and a current flow in central regions of the laser arrangement can be increased by means of a crystal-damaged layer, so that the homogeneity of the current density is improved.
  • the crystal damaged layer can be a surface layer of the second waveguide layer, which is z. B. was treated using reactive ion etching to locally damage the crystal structure.
  • the laser arrangement further has a current distribution layer which is arranged on the second waveguide layer.
  • the current distribution layer is intended to distribute a drive current in lateral directions.
  • the current distribution layer includes or consists of a transparently conductive oxide, TCO for short, such as indium tin oxide, ITO for short.
  • TCO transparently conductive oxide
  • ITO indium tin oxide
  • the charge carrier mobility, in particular that of the holes, can be limited in the second waveguide layer (for example p-GaN) and can be improved with the help of the current distribution layer.
  • the power distribution layer can be seen on a top view be arranged in the central region of the second waveguide layer.
  • the current distribution layer can be in direct contact with the second contact layer. In this way, the second waveguide layer can be electrically connected to the second contact layer via the current distribution layer.
  • the current distribution layer comprises or consists of a tunnel contact layer.
  • the tunnel contact layer may comprise a layer stack of a thin layer of the first conductivity type (e.g. n-type) and a thin layer of the second conductivity type (e.g. p-type), the latter being between the second waveguide layer and the layer of the first conductivity type is arranged.
  • the tunnel contact layer forms a tunnel diode.
  • the tunnel contact layer also makes it possible to distribute a drive current in lateral directions.
  • the laser arrangement further has a third waveguide layer.
  • the third waveguide layer is arranged on the tunnel contact layer.
  • the third waveguide layer has the first conductivity type.
  • the above-mentioned thin layer of the first conductivity type therefore faces the third waveguide layer.
  • the third waveguide layer comprises n-GaN.
  • the second waveguide layer can be electrically contacted via the tunnel contact layer and the third waveguide layer.
  • the laser arrangement further has a further current distribution layer which is arranged on the third waveguide layer and is intended to distribute the drive current in lateral directions.
  • the further current distribution layer comprises or consists of a transparently conductive oxide, TCO for short, such as indium tin oxide, ITO for short.
  • TCO transparently conductive oxide
  • ITO indium tin oxide
  • the further current distribution layer can be arranged on a central region of the third waveguide layer when viewed from above.
  • the further current distribution layer can be in direct contact with the second contact layer. In this way, the second waveguide layer can be electrically connected to the second contact layer via the further current distribution layer and the third waveguide layer and the tunnel contact layer.
  • the laser arrangement further has a mirror layer which is arranged on the side of the second waveguide layer facing away from the active layer.
  • electromagnetic radiation is coupled out via a surface of the first waveguide layer facing away from the active layer, preferably via the aperture defined by the first contact layer.
  • the mirror layer can be designed as a Bragg mirror (English: “distributed Bragg reflector", DBR).
  • the mirror layer can comprise a layer stack of alternating thin layers of different refractive indices.
  • the layers comprised by the mirror layer can be grown epitaxially (so-called "epi- DBR").
  • the mirror layer can comprise or consist of dielectric and/or metallic layers. The mirror layer reflects light scattered by the photonic crystal so that it is emitted primarily through the aperture.
  • the laser arrangement further has a mirror layer which is arranged on the side of the first waveguide layer facing away from the active layer.
  • electromagnetic radiation is coupled out via a surface of the second waveguide layer facing away from the active layer, preferably via the aperture defined by the second contact layer.
  • the mirror layer can be designed as an epi-DBR.
  • the laser arrangement further has a large number of intermediate regions of the waveguide layer embedding the zones.
  • the intermediate regions enable a homogeneous current injection due to defect-free crystal regions with low electrical resistance.
  • the intermediate regions are regularly distributed in lateral directions.
  • the photonic crystal formed by the zones can be interrupted by intermediate regions at distances of X pm, where X can be, for example, 5 or 10 or 15. It is also possible that the photonic crystal formed by the zones is interrupted by intermediate regions every N zones, for example after 40 zones. Superlattice effects can be amplified in this way, which means that certain modes can be excited.
  • the intermediate areas are randomly distributed in lateral directions. In this way, distances between the intermediate areas are not necessarily identical across the Radiation area distributed, which means that superlattice effects can be specifically suppressed. It is also possible for the intermediate regions to be distributed in a decreasing manner radially outwards in lateral directions. As a result, the current impression can be improved, especially in a central radiation area, in order to obtain a more homogeneous current density.
  • the aperture in a top view, is circular.
  • the contact layer forming the aperture comprises at least one web which extends radially from an edge of the aperture towards the center of the aperture.
  • the at least one web is arranged such that it lies in a node region of an electromagnetic wave emitted during operation of the laser arrangement. In this way, it is possible for the web to shade parts of the emitted wave, so that in the case of non-fundamental mode emission, the interference pattern in the far field becomes as narrow as possible, for example.
  • the at least one web is arranged such that it is aligned with the at least one intermediate region of the waveguide layer embedding the zones. This can mean that the bridge at least partially covers the intermediate area in a top view. The influence of the intermediate region on the radiated mode profile can thus be reduced.
  • an optoelectronic system is specified.
  • the optoelectronic system has a laser arrangement according to one of the embodiments stated above. This means that all features disclosed for the laser arrangement are also disclosed for the optoelectronic system and vice versa.
  • the laser arrangement can be integrated into the optoelectronic system.
  • the optoelectronic system is a LIDAR system or a headlight system.
  • the optoelectronic system can also include other systems for which a high output power, monomode and/or a narrow radiation profile of the laser beam are desirable.
  • Surface emission can also be used to make integration of the laser arrangement into the optoelectronic system more efficient compared to edge-emitting lasers.
  • a method for producing a laser arrangement is specified. All features disclosed for the laser arrangement are also disclosed for manufacturing processes and vice versa.
  • the method includes providing a substrate having a main surface.
  • the substrate can have the same material system as the waveguide layers and the active layer.
  • the substrate has or consists of GaN.
  • the substrate can serve as a starting material for the subsequent epitaxial deposits of the waveguide layers and the active layer.
  • the substrate can be removed again after the waveguide layers and the active layer have been produced.
  • the substrate serves as a cladding layer of the waveguide formed by the waveguide layers.
  • the method further comprises arranging a first waveguide layer on the main surface of the substrate, the first waveguide layer having a first conductivity type.
  • the first waveguide layer can be formed on the substrate by epitaxial deposition.
  • the method further comprises arranging an active layer on the first waveguide layer, wherein the active layer is designed to generate electromagnetic radiation through charge carrier recombination.
  • the active layer can be formed by epitaxial deposition on the first waveguide layer.
  • the method further comprises arranging a second waveguide layer on a side of the active layer facing away from the first waveguide layer, wherein the second waveguide layer has a second conductivity type that is opposite to the first conductivity type.
  • the second waveguide layer can be formed on the active layer by epitaxial deposition.
  • the active layer, the first and the second waveguide layers can be grown in a continuous epitaxy process.
  • the continuous epitaxy process can increase material quality by reducing the possibility of contamination with foreign atoms and crystal defects.
  • the method further comprises forming zones arranged periodically with respect to one another in the first waveguide layer or in the second waveguide layer.
  • the zones have a refractive index that differs from a refractive index of the waveguide layer embedding the zones.
  • the zones form a two-dimensional photonic crystal with this waveguide layer.
  • the zones can be formed by trenches that are formed into the respective waveguide layer using electron beam lithography, nanoimprint lithography, UV/DUV/EUV lithography and/or dry etching.
  • the trenches can optionally be filled with a material, such as an oxide, using a deposition process.
  • a periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least one intermediate region of the waveguide layer embedding the zones. This can mean that no zones are formed in the intermediate areas, i.e. H . no trench etching takes place.
  • the intermediate areas therefore have an intact crystal structure.
  • the laser arrangement is therefore characterized in particular by the fact that the structuring of the photonic crystal is suspended at suitable locations in order to enable defect-free power supply lines. In this way, the current injection can be carried out much more homogeneously and the beam quality can therefore be improved.
  • a method for producing a laser arrangement comprises the following process steps: providing a substrate having a main surface, arranging a first waveguide layer on the main surface of the substrate, the first waveguide layer having a first conductivity type having, arranging an active layer on the first waveguide layer, wherein the active layer is designed to generate electromagnetic radiation by charge carrier recombination, arranging a second waveguide layer on a side of the active layer facing away from the first waveguide layer, wherein the second waveguide layer has a second, the first Conductivity type has opposite conductivity type, forms of zones arranged periodically to one another in the first waveguide layer or in the second waveguide layer, the zones having a refractive index that differs from a refractive index of the waveguide layer embedding the zones and with this waveguide layer a two-dimensional photonic Form a crystal, and wherein a periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least an intermediate region of the waveguide layer embedding the zones.
  • the method further comprises arranging a release layer on the main surface of the substrate, wherein the first waveguide layer is arranged on a side of the release layer facing away from the substrate.
  • the release layer is applied to the substrate before the first waveguide layer is formed.
  • the substrate can be removed in a later process step using the release layer.
  • the method further comprises arranging a carrier on a side of the second waveguide layer facing away from the active layer.
  • the carrier can comprise another semiconductor substrate or a printed circuit board.
  • the carrier serves, among other things, to: Rotate the layer structure in order to treat it from the other side using backside processing.
  • the method further comprises detaching the substrate along the release layer. This is preferably done after turning the layer structure onto the carrier.
  • the release layer is designed to be removed by an etching process, whereby the substrate detaches from the remaining layer structure. This makes it possible to expose the first waveguide layer.
  • the zones are formed by dry etching trenches or cavities into the first waveguide layer or the second waveguide layer is formed.
  • the method includes wet chemical etching, which is intended to reduce etching damage caused by the dry etching in the waveguide layer around the zones that embeds the zones.
  • the method includes annealing, which is intended to reduce etching damage caused by the dry etching in the waveguide layer around the zones that embeds the zones.
  • annealing is intended to reduce etching damage caused by the dry etching in the waveguide layer around the zones that embeds the zones.
  • Embodiments for the laser arrangement The previous and The following description refers equally to the laser arrangement, the optoelectronic system and the production of the laser arrangement.
  • identical, similar or identically acting elements can each be provided with the same reference symbols.
  • the elements shown and their size ratios to one another are not to be viewed as true to scale; rather, individual elements, such as layers, components, components and areas, may be shown exaggeratedly large for better display and/or understanding.
  • Figures 1 to 2 show laser arrangements in cross section according to exemplary embodiments.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a band structure.
  • Figures 4 to 20 show laser arrangements in cross section according to further exemplary embodiments.
  • Figures 21 to 24 show laser arrangements in plan view according to further exemplary embodiments.
  • Figure 25 shows an exemplary interference pattern of a radiated electromagnetic wave in the far field.
  • Figure 26 shows a top view of a laser arrangement according to a further exemplary embodiment.
  • Figure 27 shows a schematic representation of an optoelectronic system according to an exemplary embodiment.
  • a laser arrangement 10 is shown in connection with FIG. 1.
  • the laser arrangement forms a so-called surface-emitting photonic crystal laser, PCSEL.
  • the laser arrangement 10 can therefore also be called a laser or PCSEL.
  • the laser arrangement 10 may comprise a semiconductor material.
  • the laser arrangement 10 has an active layer 50 which is designed to generate electromagnetic radiation through charge carrier recombination.
  • the active layer 50 may comprise a semiconductor material.
  • the active layer 50 has a first main surface and a second main surface opposite the first main surface.
  • the active layer 50 has a main extension plane that runs in lateral directions x, y.
  • the active layer 50 has a thickness in a transverse direction z, which is perpendicular to the main extension plane.
  • the first main surface and second main surface run parallel to the lateral directions x, y.
  • the active layer 50 may be formed by a plurality of layers (not shown).
  • the active layer 50 can form at least one quantum well, which is intended and designed to emit electromagnetic radiation of a predetermined wavelength when a drive current is applied.
  • the at least one quantum well is a 2D quantum well, which is formed by a thin intermediate layer first material is formed surrounded by barrier layers of a second material.
  • the barrier layers have a larger band gap than the intermediate layer.
  • the active layer 50 is arranged between a first waveguide layer 30 and a second waveguide layer 40 .
  • the first waveguide layer 30 is arranged on or on the first main surface of the active layer 50.
  • the second waveguide layer 40 is arranged on or on the second main surface of the active layer 50. It is also possible that there are intermediate layers between the active layer 50 and the respective waveguide layers 30, 40 (not shown in FIG. 1).
  • the first waveguide layer 30 can be electrically contacted and has a first conductivity type.
  • the first conductivity type is n-type.
  • the first waveguide layer 30 can therefore be doped with an n-type dopant (e.g. silicon (Si)).
  • the second waveguide layer 40 can also be electrically contacted and has a second conductivity type.
  • the second conductivity type is opposite to the first conductivity type.
  • the second is
  • the second waveguide layer 40 can therefore be doped with a p-type dopant (e.g. magnesium (Mg)).
  • a p-type dopant e.g. magnesium (Mg)
  • the laser arrangement 10 also has zones 60 which are arranged periodically relative to one another and which are arranged in the first waveguide layer 30 or in the second waveguide layer 40 .
  • the zones 60 are in the second Waveguide layer 40 arranged.
  • the zones 60 have a refractive index that differs from a refractive index of the waveguide layer 30 , 40 embedding the zones 60 .
  • the zones 60 thus form a two-dimensional photonic crystal with this waveguide layer 30, 40.
  • the zones 60 can be defined, for example, by recesses in the corresponding waveguide layer 30, 40.
  • the zones 60 are formed by trenches which extend from a surface of the second waveguide layer 40 facing away from the active layer 50 into the second waveguide layer 40 .
  • the zones 60 may therefore comprise air or gas as a material, as shown. But it is also possible for the zones 60 to comprise a different material, e.g. B. an oxide. For example, the trenches can be filled with the other material.
  • the zones 60 may have been subsequently introduced into the second waveguide layer 40. This can mean that the second waveguide layer 40 is initially formed as a continuous layer comprising a semiconductor material.
  • the zones 60 may be formed by material modification, material removal or material replacement in the second waveguide layer 40.
  • a refractive index difference between the zones 60 and the corresponding waveguide layer 30, 40 (here the second waveguide layer 40) can be large.
  • the zones 60 can be arranged in a matrix or - in a top view (see for example FIG. 21) - located at intersections of a grid.
  • the grid can consist of a base with several elements.
  • a grating period can be chosen to substantially match a wavelength of the radiation generated by the active layer 50, or a represents an integer or non-integer multiple of it.
  • the zones 60 are spaced from the active layer 50 in the transverse direction z.
  • a distance between the zones 60 and the active layer 50 can be the same for all zones 60 or can vary. That is, a depth of the trenches forming the zones 60 may be different.
  • the zones 60 may have a circular or elliptical profile.
  • the zones 60 may have a different profile, e.g. B. have a polygonal, especially triangular or square, profile. It may also be the case that at least two zones 60 have different profiles.
  • the depth of the zones 60 in the transverse direction z and the profile of the zones 60 in the lateral directions x, y affect a mode profile of the photonic crystal.
  • the zones 60 are subsequently introduced into the second waveguide layer 40 by forming trenches, this can be accomplished, for example, by an etching process.
  • the trenches can be formed using electron beam lithography, nanoimprint lithography, UV/DUV/EUV lithography and/or dry etching.
  • the etching process can damage the waveguide layer 40, in particular crystal defects can occur around the etching. Such crystal defects are shown in Fig. 1 using a dot pattern around the zones 60. The crystal defects can deteriorate the electrical conductivity of the second waveguide layer 40 at least in the damaged areas.
  • the etching damage caused by the dry etching in the waveguide layer 30, 40 embedding the zones 60 around the zones 60 is reduced by wet chemical etching and/or tempering.
  • the damaged ones Areas etched away with potassium hydroxide (KOH) or annealed with high process temperatures.
  • the crystal defects are not eliminated since the laser arrangement 10 has defect-free areas, as will be described below.
  • the laser arrangement 10 has at least one intermediate region 70 in the second waveguide layer 40 in which no zones 60 are arranged, i.e. H . where no trench etching is carried out.
  • the intermediate region 70 is arranged next to the zones 60, or is surrounded by zones 60.
  • the at least one intermediate region 70 forms a defect in the photonic crystal.
  • the at least one intermediate region 70 is wider than a distance between two adjacent zones 60 within the periodic zone arrangement. In other words, the arrangement of the zones 60 is exposed in the intermediate region 70 of the second waveguide layer 40, so that at least this intermediate region 70 has an intact crystal structure.
  • the electrical conductivity of the second waveguide layer 40 can thus be improved.
  • the intermediate region 70 only slightly influences the optical properties of the photonic crystal.
  • the intermediate region 70 can therefore serve as a defect-free driver current supply line to the active layer 50.
  • the laser arrangement 10 according to FIG. 1 also has a substrate
  • the substrate 20 may be a semiconductor substrate.
  • the substrate 20 can be doped, and in particular have the same conductivity type as the first waveguide layer 30 (the first conductivity type).
  • the substrate 20 can serve as a starting material in a manufacturing process for the laser arrangement 10. This can mean that the substrate 20 is removed again at the end of the manufacturing process.
  • the substrate 20 it is also possible for the substrate 20 to serve as a cladding layer for the laser arrangement 10 and to form an interface with the first waveguide layer 30.
  • the jacket layer, i.e. H . the substrate 20 has a lower refractive index than the first waveguide layer 30, so that a laterally traveling optical wave is reflected, in particular totally reflected, at the interface between the first waveguide layer 30 and the cladding layer.
  • the laser assembly 10 may include a semiconductor material.
  • the active layer 50, the first and second waveguide layers 30, 40 and the substrate 20 may comprise an I I I-V compound semiconductor material from the Al InGaN system.
  • FIG. 2 A further exemplary embodiment of the laser arrangement 10 is shown in conjunction with FIG. 2.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 2 differs from the exemplary embodiment according to FIG. 1 in that an accumulation layer 80 is arranged between the active layer 50 and the second waveguide layer 40.
  • the accumulation layer 80 is designed to be in lateral directions x, y provides an accumulation of electrically positive charge carriers.
  • the accumulation layer 80 may be formed by a heterojunction. Due to piezo fields, a collection of holes or a "hole gas" forms at this transition, which can contribute to a current expansion thanks to a higher lateral mobility of the charge carriers.
  • the current expansion is shown in Figure 2 by arrows pointing outwards. The current expansion takes place in a transverse manner Direction z below the intermediate region 70.
  • Figure 3 shows schematically the effect of the accumulation layer 80 using a band diagram.
  • the energy “E” is plotted over the position “pos” along a heterojunction.
  • a valence band VB and a conduction band LB are formed in the semiconductor.
  • At the heterojunction, i.e. H At the transition from a layer with a high band gap to a layer with a low band gap, potential barriers for electrons or holes.
  • Figure 3 also shows the quasi-Fermi levels E F e , E F h for electrons and holes. These are shifted by the accumulation layer 80, so that charge carrier accumulations arise in areas where the quasi-Fermi levels E F e , E F h lie outside the band gap. In this way, electrically positive charge carriers (holes) accumulate at the junction, i.e. H . A two-dimensional hole gas is formed.
  • a further exemplary embodiment of the laser arrangement 10 is shown in conjunction with FIG. 4.
  • the zones 60 are completely embedded in the second waveguide layer 40.
  • the zones 60 do not extend to the surface of the second waveguide layer 40, but from it are enclosed.
  • the zones 60 can be formed, for example, by cavities or closed areas may be formed in the second waveguide layer 40.
  • Such an arrangement can be produced, for example, using the “regrowth” process.
  • the further waveguide layer 40' also has the second conductivity type. This can mean that the further waveguide layer 40' comprises p-GaN, which is epitaxially deposited onto the structured waveguide layer.
  • a process temperature of the “regrowth” process can be high, but lower than a process temperature when growing the active layer 50.
  • the laser arrangement additionally has a current distribution layer 90, which is arranged on the second waveguide layer 40 (or 40 ').
  • the second waveguide layer 40 is arranged between the current distribution layer 90 and the active layer 50.
  • the current distribution layer 90 is intended to distribute a drive current in lateral directions x, y.
  • the current distribution here takes place in the transverse direction z over the intermediate region 70.
  • the charge carrier mobility, in particular that of the holes, can be limited in the second waveguide layer 40 (for example p-GaN) and improved with the help of the current distribution layer 90 become .
  • the current distribution layer 90 includes or consists of a transparent conductive oxide, TCO for short, such as indium tin oxide, ITO for short.
  • the laser arrangement 10 further comprises a first contact layer 100, which is arranged on the side of the first waveguide layer 30 facing away from the active layer 50.
  • the first contact layer 100 is arranged on the substrate 20, specifically on the side of the substrate 20 facing away from the first waveguide layer 30.
  • the first contact layer 100 covers the entire surface of the substrate 20.
  • the first contact layer 100 is intended to provide electrical contact to the first waveguide layer 30.
  • a drive current for the active layer 50 is provided via the first contact layer 100 and the first waveguide layer 30.
  • the laser arrangement 10 further comprises a second contact layer 110, which is arranged on the side of the second waveguide layer 40 facing away from the active layer 50.
  • the second contact layer 110 is arranged next to the current distribution layer 90 and surrounds it in the lateral directions x, y.
  • the second contact layer 110 may be in direct contact with the power distribution layer 90.
  • the second contact layer 110 may be in direct contact with the second waveguide layer 40, or alternatively may be spaced from it by a dielectric intermediate layer (not shown). It is also possible that the second contact layer 110 is in direct contact with the second Waveguide layer 40 is an interface but is processed in such a way that direct electrical contact is reduced.
  • the surface of the second waveguide layer 40 is crystal damaged by means of reactive ion etching, so that an electrical resistance is increased.
  • the second contact layer 110 is intended to provide electrical contact to the second waveguide layer 40.
  • an electrical connection is provided via the power distribution layer 90.
  • the first and second contact layers 100, 110 may comprise a highly doped semiconductor material and/or a metal.
  • the first and second contact layers 100, 110 preferably comprise or consist of a metal, such as Ag, Pt, Au, Pd, Ti.
  • the first or second contact layer 100 , 110 forms an aperture 210 which is intended to couple electromagnetic radiation out of the laser arrangement 10 .
  • the second contact layer forms such an aperture 210.
  • the coupled out electromagnetic radiation is illustrated by an arrow pointing upwards. This means that electromagnetic radiation is coupled out via a surface of the second waveguide layer 40 facing away from the active layer 50 .
  • the laser arrangement 10 forms a so-called "top emitter” since it emits electromagnetic radiation in a direction encompassing the growth direction (the transverse direction z).
  • a mirror layer 120 is on that of the active layer 50 arranged on the opposite side of the first waveguide layer 30. The mirror layer
  • the mirror layer 120 can be deposited on the substrate 20 before the first waveguide layer 30.
  • the mirror layer 120 can be designed as a Bragg mirror (distributed Bragg reflector, DBR).
  • the mirror layer 120 can comprise a layer stack of alternating thin layers of different refractive indices.
  • the layers comprised by the mirror layer 120 can be grown epitaxially (so-called "epi-DBR").
  • the mirror layer 120 reflects light scattered by the photonic crystal to be emitted primarily through the aperture 210 .
  • a further exemplary embodiment of the laser arrangement 10 is shown in conjunction with FIG. 7.
  • the laser arrangement 10 forms a so-called “bottom emitter” because it emits electromagnetic radiation counter to the growth direction (opposite to the transverse direction z).
  • the coupled-out electromagnetic radiation is illustrated by a downward-pointing arrow. This means that electromagnetic Radiation is coupled out via a surface of the first waveguide layer 30 facing away from the active layer 50.
  • the first contact layer 100 forms the aperture 210.
  • the mirror layer 120 is arranged here on the side of the second waveguide layer 40 facing away from the active layer 50
  • the mirror layer 120 can be arranged on the current distribution layer 90.
  • the mirror layer 120 can be designed as an epi-DBR.
  • the mirror layer 120 can comprise or consist of dielectric and/or metallic layers. Parts of the second contact layer 110 can be the mirror layer 120 cover, as in Figure 7 shown. In other words, the mirror layer 120 may be arranged between the current distribution layer 90 and the second contact layer 110. The mirror layer 120 reflects light scattered by the photonic crystal to be emitted primarily through the aperture 210 .
  • the laser arrangement 10 is designed as a top emitter.
  • the current distribution layer 90 is applied directly to the structured second waveguide layer 40. This can mean that the current distribution layer 90 closes the trenches forming the zones 60 in the second waveguide layer 40 and covers them
  • the current distribution layer 90 which comprises, for example, or consists of ITO, can be deposited using sputtering methods.
  • the current distribution layer 90 can have a greater thickness in the transverse direction z.
  • FIG. 9 A further exemplary embodiment of the laser arrangement 10 is shown in conjunction with FIG. 9. Similar to the exemplary embodiment according to FIG. 7, FIG.
  • FIG 10 shows a further exemplary embodiment of the laser arrangement 10.
  • the current distribution layer 90 here includes or is as such a tunnel contact layer 130 educated .
  • the tunnel contact layer 130 is applied directly to the structured second waveguide layer 40. This can mean that the tunnel contact layer 130 closes the trenches forming the zones 60 in the second waveguide layer 40 and covers them.
  • the tunnel contact layer 130 may comprise a layer stack of a thin layer of the first conductivity type (e.g. n-type) and a thin layer of the second conductivity type (e.g. p-type), the latter between the second waveguide layer 40 and the layer of the first conductivity type (e.g. n-type) and a thin layer of the second conductivity type (e.g. p-type), the latter between the second waveguide layer 40 and the layer of the first
  • a thin layer of the first conductivity type e.g. n-type
  • a thin layer of the second conductivity type e.g. p-type
  • the tunnel contact layer 130 forms a tunnel diode.
  • FIG. 10 A further exemplary embodiment of a laser arrangement 10 with a tunnel contact layer 130 is shown in FIG.
  • the laser arrangement 10 here further comprises a third waveguide layer 140, which is arranged on the tunnel contact layer 130 and has the first conductivity type.
  • the above-mentioned thin layer of the first conductivity type thus faces the third waveguide layer 140.
  • the third waveguide layer 140 comprises n-GaN.
  • the zones 60 extend through the third waveguide layer 140 and the tunnel contact layer 130 into the second waveguide layer 40.
  • the tunnel contact layer 130 is located in the transverse direction z at the same height as the zones 60, which form the photonic crystal.
  • the zones 60 continue to extend into the third waveguide layer 140.
  • the zones 60 are defined by the second waveguide layer 40 , the tunnel contact layer 130 and the third waveguide layer 140 .
  • a further exemplary embodiment of a laser arrangement 10 with a tunnel contact layer 130 is shown in FIG.
  • the tunnel contact layer 130 is arranged over the zones 60 in the transverse direction z.
  • the zones 60 are, as in Figure 5, completely embedded in the second waveguide layer 40.
  • the tunnel contact layer 130 is arranged on the second waveguide layer 40.
  • the third waveguide layer 140 is arranged on the tunnel contact layer 130 . 10 to 12, the tunnel contact layer 130 can serve as an overgrowth layer of the zones 60, or can be incorporated into the zones 60, or can be arranged above the zones 60 and spaced apart from them.
  • the third waveguide layer 140 is arranged between the tunnel contact layer 130 and the further current distribution layer 160.
  • the further current distribution layer 160 has the same effect as the current distribution layer 90 from Figure 6 and can also comprise or consist of a transparently conductive oxide.
  • the first contact layer 100 is arranged over the entire surface on the surface of the substrate 20 facing away from the mirror layer 120.
  • the second contact layer 110 is arranged and shaped on or above the third waveguide layer 140 an aperture 210.
  • the second contact layer 110 is intended for this purpose designed to provide an electrical contact via the further current distribution layer 160.
  • a dielectric layer 150 is arranged between the second contact layer 110 and the third waveguide layer 140, which can also be a crystal-damaged surface layer of the third waveguide layer 140. In this way, electrical resistance is increased and the electrical connection is preferably provided via the further current distribution layer 160.
  • Figure 14 shows the laser arrangement 10 according to Figure 13 as a bottom emitter. All features shown were explained in connection with exemplary embodiments already discussed (see in particular FIG. 7).
  • Figure 15 shows an intermediate product of the laser arrangement 10 within the manufacturing process.
  • the hatched area may optionally represent the portion 40' of the second waveguide layer 40, the current distribution layer 90, or the third waveguide layer 140 (along with the tunnel contact layer 130), or a combination thereof, as discussed above.
  • this area can also be called the middle class.
  • the mirror layer 120 is arranged on the middle layer.
  • the second contact layer 110 completely covers the mirror layer 120.
  • the mirror layer 120 can be designed as a DBR mirror with dielectric and/or metallic layers. Alternatively, if no current distribution layer 90 made of TCO is used, the mirror layer can also be designed as an epi-DBR.
  • a further mirror layer 120 can optionally be arranged between the first waveguide layer 30 and the substrate 20, but this can also be omitted.
  • a release layer 170 (English: “release layer”) is arranged on the surface of the substrate 20 facing the first waveguide layer 30 .
  • the release layer 170 is intended and designed to release the substrate 20 in a subsequent process step.
  • a carrier 180 can be on or above one of the active layer 50 opposite side of the second waveguide layer 40. After attaching the carrier 180, the laser arrangement 10 is rotated onto the carrier 180 in order to detach the substrate 20 along the release layer 170.
  • FIG. 16 shows the laser arrangement 10 according to FIG. 15 after the substrate 20 has been detached.
  • the carrier 180 is arranged on the second contact layer 110.
  • an anti-reflective layer 190 can optionally be arranged on the side of the first waveguide layer 30 facing away from the active layer 50, as can be seen in Figure 16.
  • the antireflective layer 190 can be structured.
  • the first contact layer 100 is preferably arranged directly on the first waveguide layer 30 and structured to form an aperture 210.
  • Figure 17 shows a further exemplary embodiment of the laser arrangement 10 with the substrate 20 detached, the laser arrangement 10 being designed as a top emitter.
  • the first contact layer 100 can completely cover a mirror layer 120 arranged on the first waveguide layer 30.
  • electromagnetic radiation is emitted via the carrier 180, which is located in the middle class.
  • the second contact layer 110 can be arranged on the carrier 180 and form an aperture 210 and produce an electrical contact.
  • the carrier is electrically conductive.
  • Figures 18 and 19 show a possible manufacturing process of the laser arrangement, in which the zones 60 are not realized in the second waveguide layer 40, but in the first waveguide layer 30.
  • this manufacturing process is combined with the detachment of the substrate 20, as described above, since this allows the first waveguide layer 30 to be exposed (see FIG.
  • the zones 60 arranged periodically to one another are introduced into the exposed first waveguide layer 30, again for example by means of electron beam lithography, nanoembossing lithography, UV/DUV/EUV lithography and/or dry etching ( see figure
  • the zones 60 have a refractive index that differs from a refractive index of the first waveguide layer 30.
  • the zones 60 thus form a two-dimensional photonic crystal with the first waveguide layer 30.
  • the first waveguide layer 30 includes an intermediate region 70 which interrupts the periodicity of the zone arrangement.
  • a cover layer 200 which covers the zones 60, can be arranged on the first waveguide layer 30 structured in this way.
  • the cover layer 200 can, for example, comprise or consist of a transparently conductive oxide (e.g. indium tin oxide).
  • the cover layer 200 can also be designed as an antireflective coating (ARC).
  • ARC antireflective coating
  • Figure 20 shows a further development of the laser arrangement 10 according to Figure 19.
  • the layers arranged above the second waveguide layer 40 in particular the carrier 180 and the second contact layer 110, are made wider in the lateral directions x, y, so that in a top view they protrude laterally at least beyond the active layer 50 and the first waveguide layer 30.
  • This serves to contact the second waveguide layer 40 from the same side as the first waveguide layer 30 and thus facilitate the electrical contacting of an overall structure.
  • the middle layer between the second contact layer 110 and the second waveguide layer 40 is the middle layer, whereby the middle layer, as explained above, can be the part 40' of the second waveguide layer 40, the current distribution layer 90 or a third waveguide layer 140.
  • the middle layer therefore has electrical conductivity.
  • the middle layer also protrudes laterally at least beyond the active layer 50 and the first waveguide layer 30.
  • contact surfaces 110' are arranged, via which the second waveguide layer 40 can be contacted.
  • Figure 21 shows a top view of the aperture 210, which, as indicated, is formed either by the first contact layer 100 or by the second contact layer 110, depending on whether the laser arrangement 10 is used as a top or bottom emitter is trained .
  • the aperture 210 according to FIG. 21 is circular. It can also be seen that the zones 60 are arranged in a grid shape, i.e. H . are located at intersections of a grid.
  • the laser arrangement 10 has a large number of intermediate regions 70 of the waveguide layer 30 or 40, whereby the intermediate areas 70 are regularly distributed in lateral directions x, y. But it is also possible for the intermediate areas 70 to be randomly distributed in lateral directions x, y. As can be seen in Figure 22, it is also possible for the intermediate regions 70 to extend radially outwards, i.e. H . are distributed decreasingly in the direction of the aperture edge.
  • the aperture 210 can also be circular, with the contact layer 100 or . 110 comprises at least one web 111 which extends radially from an edge of the aperture 210 towards the center of the aperture 210.
  • the web 111 thus improves the electrical contact, since a driver current can be fed in not only from a peripheral area, but also centrally above the radiation area.
  • the respective contact layer 100, 110 has a large number of webs which extend over the aperture 210 like a cartwheel.
  • the webs can be aligned with the intermediate regions 70 of the waveguide layer 30, 40 embedding the zones 60. This can mean in particular that when viewed from above, the webs 111 at least partially cover the intermediate areas 70.
  • the webs 111 can also be mirrored on a side facing the respective waveguide layer 30, 40 in order to emit light that comes from the Webs 111 are blocked from reflecting back into the waveguide 30, 40 and thus continuing to be usable.
  • Figure 24 further shows that the webs 111 can only extend over a peripheral region of the aperture 210, and a central region of the aperture 210 is therefore free of webs 111. In this way, a beam intensity of the emitted light in the central area can be increased and at the same time an improved electrical contact can be provided.
  • Figure 25 shows a possible mode profile of the emitted radiation in the near field of the laser arrangement 10.
  • This is an interference pattern of a radiation emission that is different from the fundamental mode emission.
  • the mode profile includes several nodal regions.
  • the webs 111 can also be arranged in such a way that they lie in certain node regions of an electromagnetic wave emitted during operation of the laser arrangement 10 (the node regions of the mode profile from FIG. 25 are illustrated by circles in FIG. 26). In this way, it is possible for the webs 111 to shade parts of the emitted wave, so that in the case of non-fundamental mode emission, the interference pattern in the far field becomes as narrow as possible, for example.
  • the laser arrangement 10 can be integrated in an optoelectronic system 300.
  • the optoelectronic system 100 may be a system in which a VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) or an EEL (edge emitting laser) is typically used.
  • the contact layers 100, 110 of the laser arrangement 10 can be made using wire connections or flip-flops.
  • Chip assembly can be connected to a printed circuit board or circuit board of the optoelectronic system 300.
  • the optoelectronic system 300 may include additional optical and/or electronic components, such as optical filters, lenses, photodetectors and/or integrated circuits.

Abstract

The invention relates to a laser assembly (10). The laser assembly comprises an electrically contactable first waveguide layer (30), which has a first conductivity type, and a second waveguide layer (40), which has a second conductivity type opposite to the first conductivity type, and an active layer (50) for generating electromagnetic radiation by charge carrier recombination, wherein the active layer is arranged between the first waveguide layer and the second waveguide layer. The laser assembly further comprises zones (60) arranged periodically with respect to one another, which are arranged in the first waveguide layer or in the second waveguide layer, wherein the zones have a refractive index that differs from a refractive index of the waveguide layer embedding the zones and forms a two-dimensional photonic crystal with said waveguide layer. A periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least one intermediate region (70) of the waveguide layer embedding the zones. The invention also relates to a method for producing a laser arrangement and to an optoelectronic system (300).

Description

Beschreibung Description
LASERANORDNUNG, OPTOELEKTRONISCHES SYSTEM UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER LASERANORDNUNG LASER ARRANGEMENT, OPTOELECTRONIC SYSTEM AND METHOD FOR PRODUCING A LASER ARRANGEMENT
Strukturen, die durch die periodische Modulation des Brechungsindexes des verwendeten Mediums gebildet werden, werden als photonische Kristalle ( engl . : „photonic crystal" ) bezeichnet . Ein oberflächenemittierender Photonischer- Kristall-Laser ( engl . : „Photonic Crystal Surface Emitting Laser" , PCSEL ) , im Folgenden bisweilen kurz Laser, Laseranordnung oder PCSEL genannt , weist eine aktive Schicht auf , die unter Anlegen eines Treiberstroms elektromagnetische Strahlung emittiert . Auf beiden Seiten der aktiven Schicht können dotierte Schichten, insbesondere Wellenleiterschichten, angeordnet sein, wobei der photonische Kristall in einer dieser Wellenleiterschichten geformt wird . Beispielsweise wird der photonische Kristall durch Trockenätzung in die entsprechende Wellenleiterschicht geformt , so dass die daraus resultierenden Gräben oder Hohlräume in der Wellenleiterschicht Zonen bilden, deren Brechungsindex sich von dem Brechungsindex der übrigen Wellenleiterschicht unterscheidet . Die Strukturierung der Wellenleiterschicht kann Ätzschäden, insbesondere Kristallschäden in der Wellenleiterschicht , hervorrufen . Da die Wellenleiterschichten auch dazu dienen, elektrische Ladungsträger zur aktiven Schicht zu transportieren, können die Ätzschäden zu hohen elektrischen Widerständen führen, was mit inhomogener Stromeinprägung und damit mit einer Reduzierung der Strahlqualität einhergehen kann . Structures that are formed by the periodic modulation of the refractive index of the medium used are called photonic crystals. A surface-emitting photonic crystal laser (Photonic Crystal Surface Emitting Laser, PCSEL ), hereinafter sometimes referred to as laser, laser arrangement or PCSEL, has an active layer that emits electromagnetic radiation when a drive current is applied. Doped layers, in particular waveguide layers, can be arranged on both sides of the active layer, with the photonic crystal being formed in one of these waveguide layers. For example, the photonic crystal is formed into the corresponding waveguide layer by dry etching, so that the resulting trenches or cavities in the waveguide layer form zones whose refractive index differs from the refractive index of the remaining waveguide layer. The structuring of the waveguide layer can cause etching damage, especially crystal damage in the waveguide layer. Since the waveguide layers also serve to transport electrical charge carriers to the active layer, the etching damage can lead to high electrical resistances, which can be accompanied by inhomogeneous current injection and thus a reduction in beam quality.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Aus führungs formen ist es , eine Laseranordnung mit hoher Strahlqualität anzugeben . Eine weitere Aufgabe von bestimmten Aus führungs formen ist es , ein optoelektronisches System anzugeben, das eine solche Laseranordnung aufweist . Außerdem ist es eine Aufgabe von bestimmten Aus führungs formen, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Laseranordnung anzugeben . At least one task of certain embodiments is to provide a laser arrangement with high beam quality. Another task of certain embodiments is to specify an optoelectronic system that has such a laser arrangement. In addition, it is a task of certain embodiments to specify a method for producing such a laser arrangement.
Diese Aufgaben werden durch Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst . Vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen der Gegenstände sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor . These tasks are solved by subject matter according to the independent patent claims. Advantageous embodiments and further developments of the objects are characterized in the dependent claims and also emerge from the following description and the drawings.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist eine Laseranordnung eine elektrisch kontaktierbare erste Wellenleiterschicht auf , die einen ersten Leit f ähigkeitstyp aufweist . According to at least one embodiment, a laser arrangement has an electrically contactable first waveguide layer which has a first conductivity type.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Laseranordnung weiterhin eine zweite Wellenleiterschicht auf , die einen zweiten, dem ersten Leit f ähigkeitstyp entgegengesetzten Leit f ähigkeitstyp aufweist . According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a second waveguide layer which has a second conductivity type that is opposite to the first conductivity type.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Laseranordnung weiterhin eine aktive Schicht zur Generierung elektromagnetischer Strahlung durch Ladungsträgerrekombination auf , wobei die aktive Schicht zwischen der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet ist . According to at least one embodiment, the laser arrangement further has an active layer for generating electromagnetic radiation through charge carrier recombination, the active layer being arranged between the first waveguide layer and the second waveguide layer.
Elektromagnetischer Strahlung kann im Folgenden „Strahlung" oder „Licht" genannt werden . Strahlung oder Licht kann insbesondere elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen bezeichnen . Die aktive Schicht weist eine erste Hauptfläche , auf der die erste Wellenleiterschicht angeordnet ist und eine der ersten Hauptfläche gegenüberliegende zweite Hauptfläche , auf der die zweite Wellenleiterschicht angeordnet ist , auf . Die aktive Schicht besitzt eine Haupterstreckungsebene , die in lateralen Richtungen verläuft . Die erste und die zweite Hauptfläche verlaufen parallel zu den lateralen Richtungen . In einer zu den lateralen Richtungen senkrecht stehenden transversalen Richtung weist die aktive Schicht eine Dicke auf . Die von der aktiven Schicht generierte elektromagnetische Strahlung wird in der ersten und der zweiten Wellenleiterschicht geführt . Die erste und die zweite Wellenleiterschicht bilden einen Wellenleiter, in dem die aktive Schicht eingebettet ist . Eine optische Welle wird im Wellenleiter in einer lateralen Richtung geführt . Electromagnetic radiation can be referred to below as “radiation” or “light”. Radiation or light can in particular be electromagnetic radiation with a or denote several wavelengths or wavelength ranges. The active layer has a first main surface on which the first waveguide layer is arranged and a second main surface opposite the first main surface and on which the second waveguide layer is arranged. The active layer has a main extension plane that runs in lateral directions. The first and second main surfaces are parallel to the lateral directions. The active layer has a thickness in a transverse direction perpendicular to the lateral directions. The electromagnetic radiation generated by the active layer is guided in the first and second waveguide layers. The first and second waveguide layers form a waveguide in which the active layer is embedded. An optical wave is guided in a lateral direction in the waveguide.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form bildet die aktive Schicht zumindest einen Quantentopf , der dazu vorgesehen und ausgebildet ist , unter Anlegen eines Treiberstroms elektromagnetische Strahlung einer vorbestimmten Wellenlänge zu emittieren . Dazu umfasst die aktive Schicht bevorzugt zumindest einen Quantentopf in Form eines 2D-Quantentopf s ( Quantentrog, engl . : „quantum well" ) oder ID-Quantentopf s ( Quantendraht , engl . : „quantum wire ) oder OD-Quantentopf s ( Quantenpunkt , engl . : „quantum dot" ) . Beispielsweise umfasst die aktive Schicht eine Mehrzahl von in transversaler Richtung übereinander angeordneten 2D-Quantentöpf en, die j eweils durch eine Barriereschicht getrennt sind . Das kann bedeuten, dass die aktive Schicht eine Mehrzahl von Schichten umfassen kann, die mindestens einen Quantentopf bilden . Ein 2D-Quantentopf kann durch eine dünne Zwischenschicht eines ersten Materials , z . B . etwa 4-5 nm dick, gebildet werden, die von Barriereschichten eines zweiten Materials , z . B . etwa 3- 10 nm dick, umgeben ist . Die Barriere-Schichten weisen eine größere Bandlücke als die Zwischenschicht auf . Dies erzeugt ein Potenzialgef alle im Leitungs- und Valenzband zwischen den beiden Materialgruppen, wobei ein Potential-Minimum in der Zwischenschicht gebildet wird . Aufgrund der Quantisierung des Systems können Ladungsträger in der Zwischenschicht nur diskrete Energiewerte annehmen . In einer Aus führungs form bildet die aktive Schicht mindestens einen Quantentopf und höchstens hundert Quantentöpfe . Bevorzugt bildet die aktive Schicht zwischen einschließlich zwei und einschließlich zehn Quantentöpfe . Die aktive Schicht kann auch als „multi quantum well" , MQW, bezeichnet werden . Eine in WachstumsrichtungAccording to at least one embodiment, the active layer forms at least one quantum well, which is intended and designed to emit electromagnetic radiation of a predetermined wavelength when a driver current is applied. For this purpose, the active layer preferably comprises at least one quantum well in the form of a 2D quantum well (quantum well) or ID quantum well (quantum wire) or OD quantum well (quantum dot). English: "quantum dot"). For example, the active layer comprises a plurality of 2D quantum wells arranged one above the other in the transverse direction, each of which is separated by a barrier layer. This can mean that the active layer can comprise a plurality of layers that form at least one quantum well. A 2D quantum well can be formed by a thin intermediate layer of a first material, e.g. B. about 4-5 nm thick, are formed of barrier layers of a second material, e.g. B. about 3-10 nm thick, is surrounded. The barrier layers have a larger band gap than the intermediate layer. This creates a potential gap in the conduction and valence band between the two material groups, with a potential minimum being formed in the intermediate layer. Due to the quantization of the system, charge carriers in the intermediate layer can only assume discrete energy values. In one embodiment, the active layer forms at least one quantum well and at most one hundred quantum wells. The active layer preferably forms between two and ten quantum wells. The active layer can also be referred to as a “multi quantum well”, MQW. One in the growth direction
( transversale Richtung) erste und eine letzte Schicht des von der aktiven Schicht gebildeten Schichtstapels können dazu vorgesehen und ausgebildet sein, Ladungsträger in der aktiven Schicht einzuschließen, d . h . daran zu hindern, die aktive Schicht zu verlassen ( engl . : „confinement" ) . Das bedeutet , dass die erste und die letzte Schicht als Elektronenbarrieren mit größerer Bandlücke ausgeführt sein können . (transverse direction) first and a last layer of the layer stack formed by the active layer can be intended and designed to enclose charge carriers in the active layer, i.e. H . from leaving the active layer (“confinement”). This means that the first and last layers can be designed as electron barriers with a larger band gap.
Die aktive Schicht , die erste und die zweite Wellenleiterschicht können bevorzugt ein Halbleitermaterial umfassen . Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein I I I-V-Verbindungshalbleitermaterial . Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich bevorzugt um ein Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial , wie AlnIn]__n-mGamN, wobei 0 < n < 1 , 0 < m < 1 und m + n < 1 ist . Dabei kann die entsprechende halbleitende Schicht Dotierstof fe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen . Zum Beispiel umfasst die erste Wellenleiterschicht zumindest eine n-GaN Schicht . Beispielweise umfasst die zweite Wellenleiterschicht zumindest eine p-GaN Schicht . Hierbei bezeichnen „n" bzw . „p" den Leit f ähigkeitstyp der entsprechenden Schicht . Die erste Wellenleiterschicht , die zweite Wellenleiterschicht und die aktive Schicht können mehrere Schichten umfassen oder aus diesen bestehen . Nahe der aktiven Schicht werden bevorzugt Materialien wie InGaN (mit teilweise unterschiedlichen In- Gehalten) oder GaN verwendet . Auf der der aktiven Schicht abgewandten Seite können die Wellenleiterschichten Mantelschichten umfassen . Die Mantelschichten können ein oder mehrere AlGaN Schichten aufweisen oder aus diesen bestehen . The active layer, the first and the second waveguide layers may preferably comprise a semiconductor material. The semiconductor material is, for example, a II IV compound semiconductor material. The semiconductor material is preferably a nitride compound semiconductor material, such as Al n In]__ nm Ga m N, where 0 <n <1, 0 <m <1 and m + n <1. The corresponding semiconducting layer can have dopants and additional components. For example, the first waveguide layer comprises at least one n-GaN layer. For example, the second waveguide layer comprises at least one p-GaN layer. Here “n” and “p” denote the conductivity type of the corresponding layer. The first waveguide layer, the second waveguide layer and the active layer may comprise or consist of multiple layers. Materials such as InGaN (with sometimes different In contents) or GaN are preferably used near the active layer. On the side facing away from the active layer, the waveguide layers can comprise cladding layers. The cladding layers can have or consist of one or more AlGaN layers.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Laseranordnung weiterhin zueinander periodisch angeordnete Zonen auf , die in der ersten Wellenleiterschicht oder in der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet sind . Die Zonen weisen einen Brechungsindex auf , der sich von einem Brechungsindex der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterscheidet . Die Zonen bilden mit dieser Wellenleiterschicht einen zweidimensionalen photonischen Kristall . Der photonische Kristall ist dazu ausgebildet , die von der aktiven Schicht generierte elektromagnetische Strahlung zu beeinflussen . According to at least one embodiment, the laser arrangement further has zones which are arranged periodically relative to one another and which are arranged in the first waveguide layer or in the second waveguide layer. The zones have a refractive index that differs from a refractive index of the waveguide layer embedding the zones. The zones form a two-dimensional photonic crystal with this waveguide layer. The photonic crystal is designed to influence the electromagnetic radiation generated by the active layer.
Insbesondere streut der photonische Kristall die Strahlung in die transversale Richtung . In particular, the photonic crystal scatters the radiation in the transverse direction.
Die Zonen können ein Gas , z . B . Luft , oder ein Material , z . B . ein Oxid, aufweisen . Insbesondere können die Zonen durch Ausnehmungen in der j eweiligen Wellenleiterschicht definiert sein, wobei die Ausnehmungen durch Ätzung in die Wellenleiterschicht geformt wurden . Mit anderen Worten können die Zonen Ätzgräben in der Wellenleiterschicht sein, wobei die Gräben mit einem Material aufgefüllt sein können . Insbesondere können die Zonen einen deutlich geringeren Brechungsindex als das entsprechend verwendete Material der Wellenleiterschicht aufweisen . Die Zonen sind zueinander regelmäßig angeordnet . Das kann bedeuten, dass die Zonen matrixförmig angeordnet sind oder sich - in einer Aufsicht - auf Schnittpunkten eines Gitters befinden . Hierbei kann es sich um ein schiefwinkliges , rechtwinkliges , zentriertrechteckiges , hexagonales oder quadratisches Gitter handeln . Eine Gitterperiode kann so gewählt werden, dass sie mit einer Wellenlänge der von der aktiven Schicht generierten Strahlung im Wesentlichen übereinstimmt , oder mit einem Bruchteil , z . B . 1 / 4 oder 1 /2 , dieser Wellenlänge , oder einem Viel fachen dieser Wellenlänge im Wesentlichen übereinstimmt . Auf diese Weise ist die Bragg-Bedingung erfüllt , um eine 2D- Rückkopplung in der Ebene des photonischen Kristalls und eine Lichtemission senkrecht dazu zu erreichen . Hierbei wird die Gitterperiode von den periodisch angeordneten Zonen definiert . In der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht ist die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung abhängig von einem ef fektiven Brechungsindex, wobei The zones can contain a gas, e.g. B. Air, or a material, e.g. B. an oxide. In particular, the zones can be defined by recesses in the respective waveguide layer, the recesses being formed into the waveguide layer by etching. In other words, the zones can be etching trenches in the waveguide layer, whereby the trenches can be filled with a material. In particular, the zones can have a significantly lower refractive index than the corresponding material used for the waveguide layer. The zones are related to each other arranged regularly. This can mean that the zones are arranged in a matrix or - in a top view - are located at intersections of a grid. This can be an oblique, rectangular, centered rectangular, hexagonal or square grid. A grating period can be chosen to substantially coincide with a wavelength of the radiation generated by the active layer, or with a fraction, e.g. B. 1/4 or 1/2, this wavelength, or a multiple of this wavelength essentially matches. In this way, the Bragg condition is satisfied to achieve 2D feedback in the plane of the photonic crystal and light emission perpendicular to it. The grating period is defined by the periodically arranged zones. In the waveguide layer embedding the zones, the wavelength of the electromagnetic radiation depends on an effective refractive index, where
■10 bg • neff gilt , mit der Vakuum-Wellenlänge Xo, der Wellenlänge in der zweiten Wellenleiterschicht XG und dem ef fektivem Brechungsindex neff . Der ef fektive Brechungsindex der Wellenleiterschicht basiert auf den Brechungsindices der Wellenleiterschicht selbst und der Zonen, und auf deren Anteile in der Wellenleiterschicht . Das bedeutet , dass die Wahl eines Durchmessers der Zonen die Wellenlänge in der Wellenleiterschicht beeinflusst . Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Zonen und der Gitterperiode kann möglichst klein gewählt werden, um einen Gütefaktor ( Q-Faktor ) der Emission zu verbessern . Ein hoher Q-Faktor verringert die Lasing-Schwelle des Lasers und führt zu einer Wellenlängen- Modenresonanz mit geringer Dämpfung . Andererseits verbessert ein größerer Durchmesser der Zonen den Brechungsindexkontrast des photonischen Kristalls . Elektromagnetische Strahlung, die sich durch den photonischen Kristall bewegt , wird an den Grenz flächen der Zonen, d . h . allgemein an Ungleichförmigkeiten, gestreut . Gestreute Wellen der elektromagnetischen Strahlung können miteinander und mit der ursprünglichen Welle konstruktiv oder destruktiv interferieren . Da diese Ungleichförmigkeiten, d . h . die Zonen, periodisch verteilt sind, kann möglicherweise vollständige destruktive Interferenz oder die Bildung von kohärenter Strahlung erreicht werden . Elektromagnetische Strahlung kann sich abhängig von ihrer Frequenz und der Gitterperiodi zität des photonischen Kristalls nur in bestimmte Richtungen des Gitters ausbreiten und wird reflektiert , wenn sie in sogenannte verbotene Richtungen gelenkt wird . Hierbei kann es zur Bildung einer stehenden Welle kommen, wobei die Strahlung wiederholt an verschiedenen Ungleichförmigkeiten gestreut wird und konstruktiv in sich selbst interferiert . Die stehende Welle wird durch mehrere Bragg-Beugungen gebildet . ■10 bg • n e ff applies, with the vacuum wavelength X o , the wavelength in the second waveguide layer X G and the effective refractive index n e ff . The effective refractive index of the waveguide layer is based on the refractive indices of the waveguide layer itself and the zones, and on their proportions in the waveguide layer. This means that the choice of a diameter of the zones influences the wavelength in the waveguide layer. The ratio between the diameter of the zones and the grating period can be chosen to be as small as possible in order to improve the quality factor (Q factor) of the emission. A high Q-factor reduces the laser's lasing threshold and results in low-attenuation wavelength mode resonance. On the other hand, a larger diameter of the zones improves the refractive index contrast of the photonic crystal. Electromagnetic radiation moving through the photonic crystal is reflected at the interfaces of the zones, i.e. H . generally due to irregularities, scattered. Scattered waves of electromagnetic radiation can interfere constructively or destructively with each other and with the original wave. Since these irregularities, i.e. H . the zones, being periodically distributed, can potentially achieve complete destructive interference or the formation of coherent radiation. Depending on its frequency and the lattice periodicity of the photonic crystal, electromagnetic radiation can only propagate in certain directions of the lattice and is reflected when it is directed in so-called forbidden directions. This can lead to the formation of a standing wave, whereby the radiation is repeatedly scattered at various non-uniformities and constructively interferes with itself. The standing wave is formed by multiple Bragg diffractions.
Photonische Kristalle , insbesondere zweidimensionale photonische Kristalle , können vorteilhaft bei Laseranordnungen zum Einsatz kommen, wodurch ein sogenannter oberflächenemittierender Photonischer-Kristall-Laser , PCSEL, gebildet werden kann . Die stimulierte Lichtemission wird durch Kopplung der Moden des photonischen Kristalls mit der aktiven Schicht des Lasers erreicht . Hierbei kommt es zu dem oben beschriebenen Rückkopplungsef fekt innerhalb der Kristallebene . Durch Bragg-Beugung erster Ordnung wird kohärente Strahlung auch senkrecht zur Kristalloberfläche emittiert . Es ist auch möglich, dass kohärente Strahlung in einem zur Kristalloberfläche vom 90 ° - Winkel verschiedenen Winkel emittiert wird . Die emittierte Strahlung kann sich vor allem durch ihre Monomodigkeit , ihr enges Abstrahlprofil und ihre hohe Ausgangsleistung über eine große Abstrahl fläche aus zeichnen . Photonic crystals, in particular two-dimensional photonic crystals, can be advantageously used in laser arrangements, whereby a so-called surface-emitting photonic crystal laser, PCSEL, can be formed. Stimulated light emission is achieved by coupling the modes of the photonic crystal with the active layer of the laser. This leads to the feedback effect described above within the crystal plane. Through first-order Bragg diffraction, coherent radiation is also emitted perpendicular to the crystal surface. It is also possible for coherent radiation to be emitted at an angle other than 90° to the crystal surface. The emitted radiation can be characterized primarily by its monomode, its narrow radiation profile and They are characterized by their high output power over a large radiation area.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form der Laseranordnung wird eine Periodi zität der Zonenanordnung von zumindest einem Zwischenbereich der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterbrochen . Die Laseranordnung weist zumindest einen Zwischenbereich in der j eweiligen Wellenleiterschicht auf , sie kann aber auch eine Viel zahl von Zwischenbereichen umfassen . In dem zumindest einem Zwischenberiech sind keine Zonen angeordnet , d . h . er ist frei von Zonen . Das kann bedeuten, dass in dem Zwischenbereich keine Grabenätzung durchgeführt worden ist . In lateralen Richtungen kann der zumindest eine Zwischenbereich bevorzugt breiter als ein Abstand zwischen zwei benachbarten Zonen innerhalb der periodischen Zonenanordnung sein . Mit anderen Worten wird im Zwischenbereich der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht die Anordnung der Zonen ausgesetzt , so dass zumindest dieser Zwischenbereich eine intakte Kristallstruktur aufweist . Die elektrische Leitfähigkeit der j eweiligen Wellenleiterschicht kann somit verbessert werden . Der Zwischenbereich beeinflusst die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls nur wenig . Der Zwischenbereich kann also als defektfreie Treiberstrom-Zuleitung zur aktiven Schicht dienen . Mit anderen Worten formt der zumindest eine Zwischenbereich eine Insel innerhalb der phonischen Kristallstruktur, über die der Treiberstrom verlustfrei zur aktiven Schicht geführt werden kann . According to at least one embodiment of the laser arrangement, a periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least one intermediate region of the waveguide layer embedding the zones. The laser arrangement has at least one intermediate region in the respective waveguide layer, but it can also include a large number of intermediate regions. No zones are arranged in the at least one intermediate area, i.e. H . it is free of zones. This can mean that no trench etching has been carried out in the intermediate area. In lateral directions, the at least one intermediate region can preferably be wider than a distance between two adjacent zones within the periodic zone arrangement. In other words, the arrangement of the zones is exposed in the intermediate region of the waveguide layer embedding the zones, so that at least this intermediate region has an intact crystal structure. The electrical conductivity of the respective waveguide layer can thus be improved. The intermediate region only slightly influences the optical properties of the photonic crystal. The intermediate region can therefore serve as a defect-free driver current supply line to the active layer. In other words, the at least one intermediate region forms an island within the phonic crystal structure, via which the driver current can be routed to the active layer without loss.
Die Laseranordnung zeichnet sich somit insbesondere dadurch aus , dass an geeigneten Stellen die Strukturierung des photonischen Kristalls ausgesetzt ist , um defektfreie Stromzuleitungen zu ermöglichen . Auf diese Weise kann die Stromeinprägung wesentlich homogener erfolgen und damit die Strahlqualität verbessert werden . The laser arrangement is therefore characterized in particular by the fact that the structuring of the photonic crystal is suspended at suitable locations in order to enable defect-free power supply lines. In this way the Current injection can be carried out much more homogeneously and the beam quality can therefore be improved.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist eine Laseranordnung folgende Merkmale auf : eine elektrisch kontaktierbare erste Wellenleiterschicht auf , die einen ersten Leit f ähigkeitstyp aufweist , eine zweite Wellenleiterschicht , die einen zweiten, dem ersten Leit f ähigkeitstyp entgegengesetzten Leit f ähigkeitstyp aufweist , eine aktive Schicht zur Generierung elektromagnetischer Strahlung durch Ladungsträgerrekombination, wobei die aktive Schicht zwischen der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet ist , und zueinander periodisch angeordnete Zonen, die in der ersten Wellenleiterschicht oder in der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet sind, wobei die Zonen einen Brechungsindex aufweisen, der sich von einem Brechungsindex der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterscheidet und mit dieser Wellenleiterschicht einen zweidimensionalen photonischen Kristall bilden . Eine Periodi zität der Zonenanordnung wird von zumindest einem Zwischenbereich der die Zonen einbettenden Wellenleit er schicht unterbrochen . According to at least one embodiment, a laser arrangement has the following features: an electrically contactable first waveguide layer which has a first conductivity type, a second waveguide layer which has a second conductivity type which is opposite to the first conductivity type, an active layer for generating electromagnetic radiation by charge carrier recombination, the active layer being arranged between the first waveguide layer and the second waveguide layer, and zones arranged periodically to one another, which are arranged in the first waveguide layer or in the second waveguide layer, the zones having a refractive index which is from a refractive index of the waveguide layer embedding the zones and form a two-dimensional photonic crystal with this waveguide layer. A periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least one intermediate region of the waveguide layer embedding the zones.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist , in lateraler Richtung, der zumindest eine Zwischenbereich breiter als ein Abstand zwischen zwei benachbarten Zonen innerhalb der periodischen Zonenanordnung . Das kann bedeuten, dass der Zwischenbereich breiter ist als eine Gitterperiode des photonischen Kristalls außerhalb des Zwischenbereichs . Beispielsweise ist der Zwischenbereich mindestens l , lmal oder mindestens l , 5mal oder mindestens 2 , 0mal so breit wie der Abstand zwischen zwei benachbarten Zonen innerhalb der periodischen Zonenanordnung . Bei einer Ätzung in die j eweilige Wellenleiterschicht , bei der die Zonen definiert werden, kann möglicherweise ein Bereich um die Ätzung kristallgeschädigt werden . Es kann zum Beispiel sein, dass Bereiche der Wellenleiterschicht , die bis zu 50nm vom Ätzgraben in transversaler Richtung und/oder lateralen Richtungen entfernt sind, durch die Ätzung Kristallschäden erleiden . Wie oben erwähnt führen solche Kristallschäden zu einer verschlechterten elektrischen Leitfähigkeit . Da in einem photonischen Kristall die Zonen dicht aneinander angeordnet , insbesondere näher als l O Onm voneinander entfernt sein können, kann ein Treiberstrom die aktive Schicht nur eingeschränkt über die entsprechende Wellenleiterschicht erreichen . Mithil fe des zumindest einen Zwischenbereichs , der aufgrund der erhöhten Breite über eine defektfreie Kristallstruktur verfügt , kann eine homogene Stromeinprägung zur aktiven Schicht erreicht werden . According to at least one embodiment, in the lateral direction, the at least one intermediate region is wider than a distance between two adjacent zones within the periodic zone arrangement. This can mean that the intermediate region is wider than a lattice period of the photonic crystal outside the intermediate region. For example, the intermediate region is at least 1.1 times or at least 1.5 times or at least 2.0 times as wide as the distance between two adjacent zones within the periodic zone arrangement. When etching into the respective waveguide layer in which the zones are defined, an area around the etching may possibly be damaged by the crystal. For example, it may be that areas of the waveguide layer that are up to 50 nm away from the etching trench in the transverse direction and/or lateral directions suffer crystal damage as a result of the etching. As mentioned above, such crystal damage leads to impaired electrical conductivity. Since the zones in a photonic crystal can be arranged close to one another, in particular closer than 10 Onm apart, a drive current can only reach the active layer to a limited extent via the corresponding waveguide layer. With the help of the at least one intermediate region, which has a defect-free crystal structure due to the increased width, a homogeneous current injection to the active layer can be achieved.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form sind die Zonen durch Gräben oder Hohlräume in der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht definiert . Werden die Zonen durch Gräben definiert , erstrecken sich diese Gräben von einer der aktiven Schicht abgewandten Oberfläche der j eweiligen Wellenleiterschicht bis in diese Wellenleiterschicht hinein . Gemäß einer Aus führungs form liegt ein Durchmesser der Gräben im Nanometer-Bereich . Beispielsweise besitzen die Gräben einen Durchmesser von wenigstens 5 nm und höchstens 1000 nm . Bevorzugt besitzen die Gräben einen Durchmesser von wenigstens 10 nm und höchstens 50 nm . Die Gräben können auch als Löcher oder Nano-Löcher bezeichnet werden, und umgekehrt . Die Form der Gräben kann zylindrisch sein, d . h . in der Aufsicht können die Gräben ein kreis förmiges oder elliptisches Profil haben . Es ist aber auch möglich, dass die Gräben ein anderes Profil, z.B. polygonales, insbesondere drei- oder viereckiges, Profil aufweisen. Es kann ferner sein, dass wenigstens zwei Gräben unterschiedliche Profile aufweisen. Das Profil der Gräben wirkt sich auf ein Modenprofil des photonischen Kristalls aus. Beispielsweise können bestimmte Symmetrien zu sog. Leckmoden oder Nicht- Leckmoden (engl. : „leaky modes" bzw. „non-leaky modes") führen, und damit die Abstrahleffizienz der Laseranordnung beeinflussen. In der transversalen Richtung enden die Gräben in der jeweiligen Wellenleiterschicht. Das bedeutet, dass sich ein Grabenfuß in der Wellenleiterschicht befindet und der Grabenfuß von der aktiven Schicht beabstandet ist. Die Gräben können unterschiedlich tief sein. In transversaler Richtung (d.h. in Aufwachsrichtung) kann eine Tiefe der Gräben 10-90%, 50-90% oder 70-90% der Dicke der Wellenschicht entsprechen, z.B. 80% der Dicke der Wellenschicht entsprechen. In anderen Worten können die Gräben die Wellenleiterschicht bis zu 90% durchdringen. Das kann insbesondere bedeuten, dass ein Überlapp der optischen Welle mit den Gräben groß sein kann. Durch die Gräben kann ein photonischer Kristall effizient gebildet werden. Insbesondere ist kein Überwachsen (engl. : „Regrowth") nötig. Werden die Zonen durch Hohlräume der jeweiligen Wellenleiterschicht geformt, sind sie vollständig in dieser Wellenleiterschicht eingebettet. Das kann insbesondere bedeuten, dass sich die Zonen nicht bis zur Oberfläche der Wellenleiterschicht erstrecken, sondern von dieser bedeckt sind. Eine solche Anordnung kann beispielsweise mittels Regrowth-Verf ahren hergestellt werden. Hier werden nach der Ätzung der Gräben diese durch ein anschließendes Epitaxieverfahren bedeckt und verschlossen . Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist der erste elektrische Leit f ähigkeitstyp der n-Typ . Das bedeutet , dass der zweite elektrische Leit f ähigkeitstyp der p-Typ ist . Die Zuordnung der Leit f ähigkeitstypen kann aber auch umgekehrt sein . According to at least one embodiment, the zones are defined by trenches or cavities in the waveguide layer embedding the zones. If the zones are defined by trenches, these trenches extend from a surface of the respective waveguide layer facing away from the active layer into this waveguide layer. According to one embodiment, the diameter of the trenches is in the nanometer range. For example, the trenches have a diameter of at least 5 nm and at most 1000 nm. The trenches preferably have a diameter of at least 10 nm and at most 50 nm. The trenches can also be referred to as holes or nano-holes, and vice versa. The shape of the trenches can be cylindrical, i.e. H . When viewed from above, the trenches can have a circular or elliptical profile. But it is also possible that the Trenches have a different profile, for example a polygonal, in particular triangular or square, profile. It may also be the case that at least two trenches have different profiles. The profile of the trenches affects a mode profile of the photonic crystal. For example, certain symmetries can lead to so-called leaky modes or non-leaky modes and thus influence the radiation efficiency of the laser arrangement. In the transverse direction, the trenches end in the respective waveguide layer. This means that there is a trench foot in the waveguide layer and the trench foot is spaced from the active layer. The trenches can be of different depths. In the transverse direction (ie in the growth direction), a depth of the trenches can correspond to 10-90%, 50-90% or 70-90% of the thickness of the corrugated layer, for example corresponding to 80% of the thickness of the corrugated layer. In other words, the trenches can penetrate the waveguide layer up to 90%. This can mean in particular that an overlap of the optical wave with the trenches can be large. The trenches allow a photonic crystal to be formed efficiently. In particular, no overgrowth is necessary. If the zones are formed by cavities in the respective waveguide layer, they are completely embedded in this waveguide layer. This can mean in particular that the zones do not extend to the surface of the waveguide layer, but rather are covered by this. Such an arrangement can be produced, for example, using the regrowth process. Here, after the trenches have been etched, they are covered and closed by a subsequent epitaxy process. According to at least one embodiment, the first electrical conductivity type is the n-type. This means that the second electrical conductivity type is the p-type. However, the assignment of the leadership ability types can also be reversed.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form sind die Zonen in der ersten Wellenleiterschicht angeordnet . According to at least one embodiment, the zones are arranged in the first waveguide layer.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form sind die Zonen in der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet . Das Ätzen von n-GaN Schichten kann viele Defekte erzeugen, weshalb die Realisierung der Zonen in der p-dotierten Wellenleiterschicht bevorzugt sein kann . According to at least one embodiment, the zones are arranged in the second waveguide layer. Etching n-GaN layers can produce many defects, which is why the realization of the zones in the p-doped waveguide layer may be preferred.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Laseranordnung ferner eine Akkumulationsschicht auf , die zwischen der aktiven Schicht und der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet ist . Gemäß einer According to at least one embodiment, the laser arrangement further has an accumulation layer which is arranged between the active layer and the second waveguide layer. According to one
Aus führungs form ist die Akkumulationsschicht so ausgelegt , dass sie in lateralen Richtungen eine Akkumulation von elektrisch positiven Ladungsträgern bereitstellt . Die Akkumulationsschicht kann durch einen Heteroübergang gebildet sein . Das kann bedeuten, dass zwischen der aktiven Schicht , die einen oder mehrere Quantentöpfe enthalten kann, und der zweiten Wellenleiterschicht ein Heteroübergang von einer Schicht mit hoher Bandlücke ( z . B . AlGaN) auf eine Schicht mit geringer Bandlücke ( z . B . GaN oder InGaN) angeordnet wird . Aufgrund von Piezofeldern bildet sich an diesem Übergang eine Ansammlung von Löchern oder ein „Löchergas" , welches dank einer höheren lateralen Mobilität der Ladungsträger zu einer Stromaufweitung beitragen kann . Der Heteroübergang kann z . B . mit dem Wachsen einer Elektronenbarriere an der aktiven Schicht verbunden werden . Die Elektronenbarriere kann Teil der aktiven Schicht oder alternativ Teil der Akkumulationsschicht sein . Die Elektronenbarriere ist , wie oben ausgeführt , dazu vorgesehen ein Überfließen der Elektronen aus der aktiven Schicht zu reduzieren . Die Elektronenbarriere kann auf der der aktiven Schicht zugewandten Seite ein Überfließen der Elektronen verhindern und auf der der aktiven Schicht abgewandten Seite für den benötigten Heteroübergang sorgen . In an embodiment, the accumulation layer is designed so that it provides an accumulation of electrically positive charge carriers in lateral directions. The accumulation layer can be formed by a heterojunction. This can mean that between the active layer, which can contain one or more quantum wells, and the second waveguide layer, there is a heterojunction from a layer with a high band gap (e.g. AlGaN) to a layer with a low band gap (e.g. GaN or InGaN) is arranged. Due to piezo fields, a collection of holes or a "hole gas" forms at this junction, which can contribute to a current expansion thanks to a higher lateral mobility of the charge carriers. The heterojunction can, for example, with the growth of an electron barrier at the active Layer can be connected. The electron barrier can be part of the active layer or alternatively part of the accumulation layer. As explained above, the electron barrier is intended to reduce the overflow of electrons from the active layer. The electron barrier can prevent electrons from overflowing on the side facing the active layer and can provide the required heterojunction on the side facing away from the active layer.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Laseranordnung ferner eine erste Kontaktschicht auf , die an der der aktiven Schicht abgewandten Seite der ersten Wellenleiterschicht angeordnet ist . Die erste Kontaktschicht ist dazu vorgesehen, einen elektrischen Kontakt zur ersten Wellenleit er schicht bereitzustellen . According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a first contact layer which is arranged on the side of the first waveguide layer facing away from the active layer. The first contact layer is intended to provide electrical contact to the first waveguide layer.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Laseranordnung ferner eine zweite Kontaktschicht auf , die an der der aktiven Schicht abgewandten Seite der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet ist . Die zweite Kontaktschicht ist dazu vorgesehen, einen elektrischen Kontakt zur zweiten Wellenleit er schicht bereitzustellen . According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a second contact layer which is arranged on the side of the second waveguide layer facing away from the active layer. The second contact layer is intended to provide electrical contact to the second waveguide layer.
Die erste und die zweiten Kontaktschicht können ein hochdotiertes Halbleitermaterial ( z . B . GaN) und/oder ein Metall aufweisen . Die erste und die zweite Kontaktschicht umfassen bevorzugt ein Metall , wie Ag, Pt , Au, Pd, Ti , oder bestehen daraus . Die ersten und die zweite Kontaktschicht können auch als reflektierende Schicht ausgebildet sein, insbesondere dann, wenn sie ein Metall umfassen . Über die erste und zweite Kontaktschicht kann ein Treiberstrom in die Laseranordnung eingebracht werden, wobei der Treiberstrom über die j eweiligen Wellenleiterschichten zur aktiven Schicht transportiert wird . The first and second contact layers can have a highly doped semiconductor material (e.g. GaN) and/or a metal. The first and second contact layers preferably comprise or consist of a metal, such as Ag, Pt, Au, Pd, Ti. The first and second contact layers can also be designed as a reflective layer, especially if they comprise a metal. A drive current can be introduced into the laser arrangement via the first and second contact layers, the drive current is transported to the active layer via the respective waveguide layers.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form formt die erste Kontaktschicht eine Apertur, die dazu vorgesehen ist , elektromagnetische Strahlung aus der Laseranordnung aus zukoppeln . In diesem Fall kann die zweite Kontaktschicht ganz flächig auf oder über der zweiten Wellenleiterschicht aufgebracht sein . Ferner kann in diesem Fall die Laseranordnung als sog . „Bottom-Emitter" bezeichnet werden . Ausgehend von der aktiven Schicht kann elektromagnetische Strahlung die Laseranordnung über die Apertur an der ersten Wellenleiterschicht verlassen . According to at least one embodiment, the first contact layer forms an aperture which is intended to couple electromagnetic radiation from the laser arrangement. In this case, the second contact layer can be applied over the entire surface on or above the second waveguide layer. Furthermore, in this case the laser arrangement can be used as a so-called. “Bottom emitter”. Starting from the active layer, electromagnetic radiation can leave the laser arrangement via the aperture on the first waveguide layer.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form formt die zweite Kontaktschicht eine Apertur, die dazu vorgesehen ist , elektromagnetische Strahlung aus der Laseranordnung aus zukoppeln . In diesem Fall kann die erste Kontaktschicht ganz flächig auf oder über der ersten Wellenleiterschicht aufgebracht sein . Ferner kann in diesem Fall die Laseranordnung als sog . „Top-Emitter" bezeichnet werden . Ausgehend von der aktiven Schicht kann elektromagnetische Strahlung die Laseranordnung über die Apertur an der zweiten Wellenleiterschicht verlassen . According to at least one embodiment, the second contact layer forms an aperture which is intended to couple electromagnetic radiation from the laser arrangement. In this case, the first contact layer can be applied over the entire surface on or above the first waveguide layer. Furthermore, in this case the laser arrangement can be used as a so-called. “Top emitter”. Starting from the active layer, electromagnetic radiation can leave the laser arrangement via the aperture on the second waveguide layer.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Laseranordnung ferner eine zwischen der zweiten Kontaktschicht und der zweiten Wellenleitschicht angeordnete dielektrische Schicht auf . Die dielektrische Schicht weist einen hohen elektrischen Widerstand auf , so dass ein direkter elektrischer Kontakt zwischen der zweiten Wellenleiterschicht und der zweiten Kontaktschicht in Bereichen, in denen die dielektrische Schicht angeordnet ist , vermindert ist . Bevorzugt ist die dielektrische Schicht ist Randbereichen der Laseranordnung angeordnet . Das hat zur Folge , dass der Treiberstrom nur über einen zentralen Bereich der Laseranordnung zur aktiven Schicht transportiert wird . Dadurch kann eine Homogenität der Stromdichte erhöht werden . According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a dielectric layer arranged between the second contact layer and the second waveguide layer. The dielectric layer has a high electrical resistance, so that direct electrical contact between the second waveguide layer and the second contact layer is reduced in areas in which the dielectric layer is arranged. The dielectric layer is preferably arranged in edge regions of the laser arrangement. This means that the drive current is only transported to the active layer via a central area of the laser arrangement. This allows the homogeneity of the current density to be increased.
Alternativ oder zusätzlich zur dielektrischen Schicht weist die Laseranordnung ferner eine zwischen der zweiten Kontaktschicht und der zweiten Wellenleitschicht angeordnete kristallgeschädigte Schicht auf . Ähnlich wie die dielektrische Schicht weist eine kristallgeschädigte Schicht einen erhöhten elektrischen Widerstand auf . Auf diese Weise kann auch mittels einer kristallgeschädigten Schicht ein Stromfluss in Randbereichen der Laseranordnung vermindert werden und ein Stromfluss in zentralen Bereichen der Laseranordnung erhöht werden, so dass die Homogenität der Stromdichte verbessert wird . Die kristallgeschädigte Schicht kann eine Oberflächenschicht der zweiten Wellenleiterschicht sein, die z . B . mittels reaktiven lonenätzen behandelt wurde , um die Kristallstruktur lokal zu schädigen . Alternatively or in addition to the dielectric layer, the laser arrangement further has a crystal-damaged layer arranged between the second contact layer and the second waveguide layer. Similar to the dielectric layer, a crystal damaged layer has increased electrical resistance. In this way, a current flow in edge regions of the laser arrangement can also be reduced and a current flow in central regions of the laser arrangement can be increased by means of a crystal-damaged layer, so that the homogeneity of the current density is improved. The crystal damaged layer can be a surface layer of the second waveguide layer, which is z. B. was treated using reactive ion etching to locally damage the crystal structure.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Laseranordnung ferner eine Stromverteilungsschicht auf , die auf der zweiten Wellenleitschicht angeordnet ist . Die Stromverteilungsschicht ist dazu vorgesehen, einen Treiberstrom in lateralen Richtungen zu verteilen . Beispielsweise umfasst die Stromverteilungsschicht ein transparent leitfähiges Oxid, kurz TCO, wie Indiumzinnoxid, kurz ITO, oder besteht daraus . Die Ladungsträgermobilität , insbesondere die der Löcher, kann in der zweiten Wellenleiterschicht ( zum Beispiel p-GaN) eingeschränkt sein und mithil fe der Stromverteilungsschicht verbessert werden . Die Stromverteilungsschicht kann in der Aufsicht auf einem zentralen Bereich der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet sein . Ferner kann die Stromverteilungsschicht in direktem Kontakt zur zweiten Kontaktschicht stehen . Auf diese Weise kann die zweite Wellenleiterschicht über die Stromverteilungsschicht mit der zweiten Kontaktschicht elektrisch verbunden sein . According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a current distribution layer which is arranged on the second waveguide layer. The current distribution layer is intended to distribute a drive current in lateral directions. For example, the current distribution layer includes or consists of a transparently conductive oxide, TCO for short, such as indium tin oxide, ITO for short. The charge carrier mobility, in particular that of the holes, can be limited in the second waveguide layer (for example p-GaN) and can be improved with the help of the current distribution layer. The power distribution layer can be seen on a top view be arranged in the central region of the second waveguide layer. Furthermore, the current distribution layer can be in direct contact with the second contact layer. In this way, the second waveguide layer can be electrically connected to the second contact layer via the current distribution layer.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst die Stromverteilungsschicht eine Tunnelkontaktschicht oder besteht daraus . Die Tunnelkontaktschicht kann einen Schichtstapel aus einer dünnen Schicht des ersten Leit f ähigkeitstyps ( z . B . n-Typ ) und einer dünnen Schicht des zweiten Leit f ähigkeitstyps ( z . B . p-Typ ) umfassen, wobei letztere zwischen der zweiten Wellenleiterschicht und der Schicht des ersten Leit f ähigkeitstyps angeordnet ist . Die Tunnelkontaktschicht formt auf diese Weise eine Tunneldiode ( engl . : „tunnel j unction" ) . Auch die Tunnelkontaktschicht ermöglicht es , einen Treiberstrom in lateralen Richtungen zu verteilen . According to at least one embodiment, the current distribution layer comprises or consists of a tunnel contact layer. The tunnel contact layer may comprise a layer stack of a thin layer of the first conductivity type (e.g. n-type) and a thin layer of the second conductivity type (e.g. p-type), the latter being between the second waveguide layer and the layer of the first conductivity type is arranged. In this way, the tunnel contact layer forms a tunnel diode. The tunnel contact layer also makes it possible to distribute a drive current in lateral directions.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Laseranordnung weiterhin eine dritte Wellenleiterschicht auf . Die dritte Wellenleiterschicht ist auf der Tunnelkontaktschicht angeordnet . Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die dritte Wellenleiterschicht den ersten Leit f ähigkeitstyp auf . Die oben erwähnte dünne Schicht des ersten Leit f ähigkeitstyps ist also der dritten Wellenleiterschicht zugewandt . Zum Beispiel weist die dritte Wellenleiterschicht n-GaN auf . Die zweite Wellenleiterschicht kann in diesem Aus führungsbeispiel der Laseranordnung über die Tunnelkontaktschicht und die dritte Wellenleiterschicht elektrisch kontaktiert werden . Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Laseranordnung weiterhin eine weitere Stromverteilungsschicht auf , die auf der dritten Wellenleitschicht angeordnet ist und dazu vorgesehen ist , den Treiberstrom in lateralen Richtungen zu verteilen . Beispielsweise umfasst die weitere Stromverteilungsschicht ein transparent leitfähiges Oxid, kurz TCO, wie Indiumzinnoxid, kurz ITO, oder besteht daraus . Die weitere Stromverteilungsschicht kann in der Aufsicht auf einem zentralen Bereich der dritten Wellenleiterschicht angeordnet sein . Ferner kann die weitere Stromverteilungsschicht in direktem Kontakt zur zweiten Kontaktschicht stehen . Auf diese Weise kann die zweite Wellenleiterschicht über die weitere Stromverteilungsschicht und die dritten Wellenleiterschicht und die Tunnelkontaktschicht mit der zweiten Kontaktschicht elektrisch verbunden sein . According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a third waveguide layer. The third waveguide layer is arranged on the tunnel contact layer. According to at least one embodiment, the third waveguide layer has the first conductivity type. The above-mentioned thin layer of the first conductivity type therefore faces the third waveguide layer. For example, the third waveguide layer comprises n-GaN. In this exemplary embodiment of the laser arrangement, the second waveguide layer can be electrically contacted via the tunnel contact layer and the third waveguide layer. According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a further current distribution layer which is arranged on the third waveguide layer and is intended to distribute the drive current in lateral directions. For example, the further current distribution layer comprises or consists of a transparently conductive oxide, TCO for short, such as indium tin oxide, ITO for short. The further current distribution layer can be arranged on a central region of the third waveguide layer when viewed from above. Furthermore, the further current distribution layer can be in direct contact with the second contact layer. In this way, the second waveguide layer can be electrically connected to the second contact layer via the further current distribution layer and the third waveguide layer and the tunnel contact layer.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Laseranordnung weiterhin eine Spiegelschicht auf , die an der der aktiven Schicht abgewandten Seite der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet ist . In dieser Aus führungs form wird elektromagnetische Strahlung über eine der aktiven Schicht abgewandten Oberfläche der ersten Wellenleiterschicht ausgekoppelt , bevorzugt über die von der ersten Kontaktschicht definierte Apertur . Die Spiegelschicht kann als Bragg-Spiegel ( engl : „distributed Bragg reflector" , DBR) ausgebildet sein . Die Spiegelschicht kann einen Schichtstapel aus alternierenden dünnen Schichten unterschiedlicher Brechungsindices umfassen . Die von der Spiegelschicht umfassten Schichten können epitaktisch aufgewachsen sein ( sog . „epi-DBR" ) . Alternativ oder zusätzlich kann die Spiegelschicht dielektrische und/oder metallische Schichten umfassen oder aus diesen bestehen . Die Spiegelschicht reflektiert vom photonischen Kristall gestreutes Licht , damit dieses hauptsächlich über die Apertur abgestrahlt wird . According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a mirror layer which is arranged on the side of the second waveguide layer facing away from the active layer. In this embodiment, electromagnetic radiation is coupled out via a surface of the first waveguide layer facing away from the active layer, preferably via the aperture defined by the first contact layer. The mirror layer can be designed as a Bragg mirror (English: "distributed Bragg reflector", DBR). The mirror layer can comprise a layer stack of alternating thin layers of different refractive indices. The layers comprised by the mirror layer can be grown epitaxially (so-called "epi- DBR"). Alternatively or additionally, the mirror layer can comprise or consist of dielectric and/or metallic layers. The mirror layer reflects light scattered by the photonic crystal so that it is emitted primarily through the aperture.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Laseranordnung weiterhin eine Spiegelschicht auf , die an der der aktiven Schicht abgewandten Seite der ersten Wellenleiterschicht angeordnet ist . In dieser Aus führungs form wird elektromagnetische Strahlung über eine der aktiven Schicht abgewandten Oberfläche der zweiten Wellenleiterschicht ausgekoppelt , bevorzugt über die von der zweiten Kontaktschicht definierte Apertur . In diesem Fall kann die Spiegelschicht als epi-DBR ausgebildet sein . According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a mirror layer which is arranged on the side of the first waveguide layer facing away from the active layer. In this embodiment, electromagnetic radiation is coupled out via a surface of the second waveguide layer facing away from the active layer, preferably via the aperture defined by the second contact layer. In this case, the mirror layer can be designed as an epi-DBR.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form weist die Laseranordnung weiterhin eine Viel zahl von Zwischenbereichen der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht auf . Wie oben ausgeführt ermöglichen die Zwischenbereiche eine homogene Stromeinprägung aufgrund defektfreier Kristallbereiche mit niedrigem elektrischem Widerstand . According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a large number of intermediate regions of the waveguide layer embedding the zones. As explained above, the intermediate regions enable a homogeneous current injection due to defect-free crystal regions with low electrical resistance.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form sind die Zwischenbereiche in lateralen Richtungen regelmäßig verteilt . Beispielsweise kann der von den Zonen gebildete photonische Kristall in Abständen von X pm von Zwischenbereichen unterbrochen sein, wobei X beispielsweise 5 oder 10 oder 15 sein kann . Ebenso ist es möglich dass der von den Zonen gebildete photonische Kristall alle N Zonen, beispielsweise j eweils nach 40 Zonen, von Zwischenbereichen unterbrochen wird . Übergitter-Ef fekte können auf diese Weise verstärkt werden, womit bestimmte Moden angeregt werden können . Alternativ sind die Zwischenbereiche in lateralen Richtungen zufällig verteilt . Auf diese Weise sind Abstände zwischen den Zwischenbereichen nicht zwingend identisch über den Abstrahlbereich verteilt , womit Übergitter-Ef fekte gezielt unterdrückt werden können . Es ist auch möglich, dass die Zwischenbereiche in lateralen Richtungen radial nach außen hin abnehmend verteilt sind . Dadurch kann vor allem in einem zentralen Abstrahlbereich die Stromeinprägung verbessert werden, um eine homogenere Stromdichte zu erhalten . According to at least one embodiment, the intermediate regions are regularly distributed in lateral directions. For example, the photonic crystal formed by the zones can be interrupted by intermediate regions at distances of X pm, where X can be, for example, 5 or 10 or 15. It is also possible that the photonic crystal formed by the zones is interrupted by intermediate regions every N zones, for example after 40 zones. Superlattice effects can be amplified in this way, which means that certain modes can be excited. Alternatively, the intermediate areas are randomly distributed in lateral directions. In this way, distances between the intermediate areas are not necessarily identical across the Radiation area distributed, which means that superlattice effects can be specifically suppressed. It is also possible for the intermediate regions to be distributed in a decreasing manner radially outwards in lateral directions. As a result, the current impression can be improved, especially in a central radiation area, in order to obtain a more homogeneous current density.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist , in einer Aufsicht , die Apertur kreis förmig . According to at least one embodiment, in a top view, the aperture is circular.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst die die Apertur bildende Kontaktschicht zumindest einen Steg, der sich von einem Rand der Apertur radial in Richtung Mittelpunkt der Apertur erstreckt . Mithil fe des Stegs kann die Stromzufuhr über zentrale Bereiche der Laseranordnung verbessert werden . Der Steg kann zusätzlich verspiegelt sein, um vom Steg blockierte Strahlung zurück in die Laseranordnung zu reflektieren . According to at least one embodiment, the contact layer forming the aperture comprises at least one web which extends radially from an edge of the aperture towards the center of the aperture. With the help of the bridge, the power supply via central areas of the laser arrangement can be improved. The bridge can also be mirrored in order to reflect radiation blocked by the bridge back into the laser arrangement.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist der zumindest eine Steg so angeordnet , dass er in einem Knotenbereich einer im Betrieb der Laseranordnung emittierten elektromagnetischen Welle liegt . Auf diese Weise ist es möglich, dass der Steg Teile der emittierten Welle abschattet , so dass bei Nicht- Grundmodenemission gezielt das Interferenzmuster im Fernfeld zum Beispiel möglichst engwinklig wird . Alternativ oder zusätzlich ist der zumindest eine Steg so angeordnet , dass er an dem zumindest einen Zwischenbereich der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht ausgerichtet ist . Das kann bedeuten dass der Steg in einer Aufsicht den Zwischenbereich zumindest teilweise bedeckt . Der Einfluss des Zwischenbereichs auf das abgestrahlte Modenprofil kann somit vermindert werden . Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist ein optoelektronisches System angegeben . Das optoelektronische System weist eine Laseranordnung gemäß einem der oben ausgeführten Aus führungs formen auf . Das bedeutet , dass alle für die Laseranordnung of fenbarten Merkmale auch für das optoelektronische System of fenbart werden und umgekehrt . Die Laseranordnung kann in das optoelektronische System integriert sein . Beispielsweise handelt es sich bei dem optoelektronischen System um ein LIDAR-System oder ein Scheinwerfer-System . Das optoelektronische System kann aber auch andere Systeme umfassen, für die eine hohe Ausgangsleistung, Monomodigkeit und/oder ein enges Abstrahlprofil des Laserstrahls wünschenswert sind . Durch die Oberflächenemission kann im Vergleich zu kantenemittierenden Lasern außerdem eine Integration der Laseranordnung in das optoelektronische System ef fi zienter gestaltet werden . According to at least one embodiment, the at least one web is arranged such that it lies in a node region of an electromagnetic wave emitted during operation of the laser arrangement. In this way, it is possible for the web to shade parts of the emitted wave, so that in the case of non-fundamental mode emission, the interference pattern in the far field becomes as narrow as possible, for example. Alternatively or additionally, the at least one web is arranged such that it is aligned with the at least one intermediate region of the waveguide layer embedding the zones. This can mean that the bridge at least partially covers the intermediate area in a top view. The influence of the intermediate region on the radiated mode profile can thus be reduced. According to at least one embodiment, an optoelectronic system is specified. The optoelectronic system has a laser arrangement according to one of the embodiments stated above. This means that all features disclosed for the laser arrangement are also disclosed for the optoelectronic system and vice versa. The laser arrangement can be integrated into the optoelectronic system. For example, the optoelectronic system is a LIDAR system or a headlight system. However, the optoelectronic system can also include other systems for which a high output power, monomode and/or a narrow radiation profile of the laser beam are desirable. Surface emission can also be used to make integration of the laser arrangement into the optoelectronic system more efficient compared to edge-emitting lasers.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form ist ein Verfahren zur Herstellung einer Laseranordnung angegeben . Alle für die Laseranordnung of fenbarten Merkmale werden auch für Herstellungsverfahren of fenbart und umgekehrt . According to at least one embodiment, a method for producing a laser arrangement is specified. All features disclosed for the laser arrangement are also disclosed for manufacturing processes and vice versa.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Verfahren ein Bereitstellen eines eine Hauptfläche aufweisenden Substrats . Das Substrat kann das gleiche Materialsystem wie die Wellenleiterschichten und die aktive Schicht aufweisen . Beispielsweise weist das Substrat GaN auf oder besteht daraus . Das Substrat kann als Startmaterial für die nachfolgenden epitaktischen Abscheidungen der Wellenleiterschichten und der aktiven Schicht dienen . Das Substrat kann nach der Herstellung der Wellenleiterschichten und der aktiven Schicht wieder entfernt werden . Alternativ dient das Substrat als Mantelschicht des von den Wellenleiterschichten gebildeten Wellenleiters . According to at least one embodiment, the method includes providing a substrate having a main surface. The substrate can have the same material system as the waveguide layers and the active layer. For example, the substrate has or consists of GaN. The substrate can serve as a starting material for the subsequent epitaxial deposits of the waveguide layers and the active layer. The substrate can be removed again after the waveguide layers and the active layer have been produced. Alternatively the substrate serves as a cladding layer of the waveguide formed by the waveguide layers.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Verfahren weiterhin ein Anordnen einer ersten Wellenleiterschicht an der Hauptfläche des Substrats , wobei die erste Wellenleiterschicht einen ersten Leit f ähigkeitstyp aufweist . Die erste Wellenleiterschicht kann durch epitaktische Abscheidung auf dem Substrat gebildet werden . According to at least one embodiment, the method further comprises arranging a first waveguide layer on the main surface of the substrate, the first waveguide layer having a first conductivity type. The first waveguide layer can be formed on the substrate by epitaxial deposition.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Verfahren weiterhin ein Anordnen einer aktiven Schicht auf die erste Wellenleiterschicht , wobei die aktive Schicht dazu ausgebildet ist , elektromagnetische Strahlung durch Ladungsträgerrekombination zu generieren . Die aktive Schicht kann durch epitaktische Abscheidung auf der ersten Wellenleiterschicht gebildet werden . According to at least one embodiment, the method further comprises arranging an active layer on the first waveguide layer, wherein the active layer is designed to generate electromagnetic radiation through charge carrier recombination. The active layer can be formed by epitaxial deposition on the first waveguide layer.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Verfahren ferner eine Anordnen einer zweiten Wellenleiterschicht an einer der ersten Wellenleiterschicht abgewandten Seite der aktiven Schicht , wobei die zweite Wellenleiterschicht einen zweiten, dem ersten Leit f ähigkeitstyp entgegengesetzten Leit f ähigkeitstyp aufweist . Die zweite Wellenleiterschicht kann durch epitaktische Abscheidung auf der aktiven Schicht gebildet werden . According to at least one embodiment, the method further comprises arranging a second waveguide layer on a side of the active layer facing away from the first waveguide layer, wherein the second waveguide layer has a second conductivity type that is opposite to the first conductivity type. The second waveguide layer can be formed on the active layer by epitaxial deposition.
Insbesondere können die aktive Schicht , die erste und die zweite Wellenleiterschicht in einem kontinuierlichen Epitaxie-Prozess aufgewachsen sein . Durch den ununterbrochenen Epitaxie-Prozess kann die Materialqualität erhöht werden, da Möglichkeiten einer Kontamination mit Fremdatomen und Kristalldefekte reduziert werden . Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Verfahren ferner ein Formen von zueinander periodisch angeordneten Zonen in der ersten Wellenleiterschicht oder in der zweiten Wellenleiterschicht . Die Zonen weisen einen Brechungsindex auf , der sich von einem Brechungsindex der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterscheidet . Die Zonen bilden mit dieser Wellenleiterschicht einen zweidimensionalen photonischen Kristall . Die Zonen können durch Gräben gebildet werden, die mittels Elektronenstrahl-Lithografie , Nanopräge- Lithografie , UV/DUV/EUV-Lithograf ie und/oder Trockenätzung in die j eweilige Wellenleiterschicht geformt werden . Die Gräben können optional mit einem Material , wie zum Beispiel einem Oxid, mittels eines Abscheideverfahrens aufgefüllt werden . In particular, the active layer, the first and the second waveguide layers can be grown in a continuous epitaxy process. The continuous epitaxy process can increase material quality by reducing the possibility of contamination with foreign atoms and crystal defects. According to at least one embodiment, the method further comprises forming zones arranged periodically with respect to one another in the first waveguide layer or in the second waveguide layer. The zones have a refractive index that differs from a refractive index of the waveguide layer embedding the zones. The zones form a two-dimensional photonic crystal with this waveguide layer. The zones can be formed by trenches that are formed into the respective waveguide layer using electron beam lithography, nanoimprint lithography, UV/DUV/EUV lithography and/or dry etching. The trenches can optionally be filled with a material, such as an oxide, using a deposition process.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form wird eine Periodi zität der Zonenanordnung von zumindest einem Zwischenbereich der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterbrochen . Das kann bedeuten, dass in den Zwischenbereichen keine Zonen geformt werden, d . h . keine Grabenätzung erfolgt . Die Zwischenbereiche weisen demzufolge eine intakte Kristallstruktur auf . Die Laseranordnung zeichnet sich somit insbesondere dadurch aus , dass an geeigneten Stellen die Strukturierung des photonischen Kristalls ausgesetzt ist , um defektfreie Stromzuleitungen zu ermöglichen . Auf diese Weise kann die Stromeinprägung wesentlich homogener erfolgen und damit die Strahlqualität verbessert werden . According to at least one embodiment, a periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least one intermediate region of the waveguide layer embedding the zones. This can mean that no zones are formed in the intermediate areas, i.e. H . no trench etching takes place. The intermediate areas therefore have an intact crystal structure. The laser arrangement is therefore characterized in particular by the fact that the structuring of the photonic crystal is suspended at suitable locations in order to enable defect-free power supply lines. In this way, the current injection can be carried out much more homogeneously and the beam quality can therefore be improved.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Laseranordnung folgende Prozessschritte : Bereitstellen eines eine Hauptfläche aufweisenden Substrats , Anordnen einer ersten Wellenleiterschicht an der Hauptfläche des Substrats , wobei die erste Wellenleiterschicht einen ersten Leit f ähigkeitstyp aufweist , Anordnen einer aktiven Schicht auf die erste Wellenleiterschicht , wobei die aktive Schicht dazu ausgebildet ist , elektromagnetischer Strahlung durch Ladungsträgerrekombination zu generieren, Anordnen einer zweiten Wellenleiterschicht an einer der ersten Wellenleiterschicht abgewandten Seite der aktiven Schicht , wobei die zweite Wellenleiterschicht einen zweiten, dem ersten Leit f ähigkeitstyp entgegengesetzten Leit f ähigkeitstyp aufweist , Formen von zueinander periodisch angeordneten Zonen in der ersten Wellenleiterschicht oder in der zweiten Wellenleiterschicht , wobei die Zonen einen Brechungsindex aufweisen, der sich von einem Brechungsindex der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterscheidet und mit dieser Wellenleiterschicht einen zweidimensionalen photonischen Kristall bilden, und wobei eine Periodi zität der Zonenanordnung von zumindest einem Zwischenbereich der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterbrochen wird . According to at least one embodiment, a method for producing a laser arrangement comprises the following process steps: providing a substrate having a main surface, arranging a first waveguide layer on the main surface of the substrate, the first waveguide layer having a first conductivity type having, arranging an active layer on the first waveguide layer, wherein the active layer is designed to generate electromagnetic radiation by charge carrier recombination, arranging a second waveguide layer on a side of the active layer facing away from the first waveguide layer, wherein the second waveguide layer has a second, the first Conductivity type has opposite conductivity type, forms of zones arranged periodically to one another in the first waveguide layer or in the second waveguide layer, the zones having a refractive index that differs from a refractive index of the waveguide layer embedding the zones and with this waveguide layer a two-dimensional photonic Form a crystal, and wherein a periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least an intermediate region of the waveguide layer embedding the zones.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Verfahren ferner ein Anordnen einer Ablöseschicht auf die Hauptfläche des Substrats , wobei die erste Wellenleiterschicht an einer dem Substrat abgewandten Seite der Ablöseschicht angeordnet wird . Die Ablöseschicht ( engl . : „release layer" ) wird vor dem Formen der ersten Wellenleiterschicht auf dem Substrat aufgetragen . Mittels der Ablöseschicht kann in einem späteren Prozessschritt das Substrat entfernt werden . According to at least one embodiment, the method further comprises arranging a release layer on the main surface of the substrate, wherein the first waveguide layer is arranged on a side of the release layer facing away from the substrate. The release layer is applied to the substrate before the first waveguide layer is formed. The substrate can be removed in a later process step using the release layer.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Verfahren ferner ein Anordnen eines Trägers an eine der aktiven Schicht abgewandten Seite der zweiten Wellenleiterschicht . Der Träger kann eine weiteres Halbleitersubstrat oder eine Leiterplatte umfassen . Der Träger dient unter anderem dazu, den Schichtaufbau zu drehen, um diesen von der anderen Seite mittels einer Rückseiten-Prozessierung zu behandeln . According to at least one embodiment, the method further comprises arranging a carrier on a side of the second waveguide layer facing away from the active layer. The carrier can comprise another semiconductor substrate or a printed circuit board. The carrier serves, among other things, to: Rotate the layer structure in order to treat it from the other side using backside processing.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Verfahren ferner ein Ablösen des Substrats entlang der Ablöseschicht . Bevorzugt erfolgt dies nach dem Drehen des Schichtaufbaus auf den Träger . Die Ablöseschicht ist dazu eingerichtet durch ein Ätzverfahren entfernt zu werden, wodurch sich das Substrat vom übrigen Schichtaufbau löst . Dadurch ist es möglich, die erste Wellenleiterschicht frei zulegen . According to at least one embodiment, the method further comprises detaching the substrate along the release layer. This is preferably done after turning the layer structure onto the carrier. The release layer is designed to be removed by an etching process, whereby the substrate detaches from the remaining layer structure. This makes it possible to expose the first waveguide layer.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form werden die Zonen durch Trockenätzung von Gräben oder Hohlräumen in die erste Wellenleiterschicht bzw . die zweite Wellenleiterschicht geformt . According to at least one embodiment, the zones are formed by dry etching trenches or cavities into the first waveguide layer or the second waveguide layer is formed.
Gemäß zumindest einer Aus führungs form umfasst das Verfahren ein nasschemisches Ätzen, das dazu vorgesehen ist , durch die Trockenätzung entstandene Ätzschäden in der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht um die Zonen zu reduzieren . According to at least one embodiment, the method includes wet chemical etching, which is intended to reduce etching damage caused by the dry etching in the waveguide layer around the zones that embeds the zones.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren eine Temperung, die dazu vorgesehen ist , durch die Trockenätzung entstandene Ätzschäden in der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht um die Zonen zu reduzieren . Durch die Reduzierung der Ätzschäden kann die elektrische Leitfähigkeit der j eweiligen Wellenleiterschicht , in die die Ätzgräben eingebracht wurden, erhöht werden, um eine homogenere Stromdichte des Treiberstroms zu erzielen . Alternatively or additionally, the method includes annealing, which is intended to reduce etching damage caused by the dry etching in the waveguide layer around the zones that embeds the zones. By reducing the etching damage, the electrical conductivity of the respective waveguide layer into which the etching trenches were introduced can be increased in order to achieve a more homogeneous current density of the driver current.
Weitere Aus führungs formen des Herstellungsverfahrens ergeben sich für den geübten Leser aus den oben beschriebenen Further embodiments of the manufacturing process can be found for the experienced reader from those described above
Aus führungs formen für die Laseranordnung . Die vorherige und nachfolgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf die Laseranordnung, das optoelektronische System und die Herstellung der Laseranordnung . Embodiments for the laser arrangement. The previous and The following description refers equally to the laser arrangement, the optoelectronic system and the production of the laser arrangement.
Weitere Vorteile , vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Aus führungsbeispielen . Further advantages, advantageous embodiments and further developments result from the exemplary embodiments described below in connection with the figures.
In den Aus führungsbeispielen und Figuren können gleiche , gleichartige oder gleich wirkende Elemente j eweils mit denselben Bezugs zeichen versehen sein . Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente , wie zum Beispiel Schichten, Bauteile , Bauelemente und Bereiche , zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein . In the exemplary embodiments and figures, identical, similar or identically acting elements can each be provided with the same reference symbols. The elements shown and their size ratios to one another are not to be viewed as true to scale; rather, individual elements, such as layers, components, components and areas, may be shown exaggeratedly large for better display and/or understanding.
Figuren 1 bis 2 zeigen Laseranordnungen im Querschnitt gemäß Aus führungsbeispielen . Figures 1 to 2 show laser arrangements in cross section according to exemplary embodiments.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Bandstruktur . Figure 3 shows a schematic representation of a band structure.
Figuren 4 bis 20 zeigen Laseranordnungen im Querschnitt gemäß weiteren Aus führungsbeispielen . Figures 4 to 20 show laser arrangements in cross section according to further exemplary embodiments.
Figuren 21 bis 24 zeigen Laseranordnungen in der Aufsicht gemäß weiteren Aus führungsbeispielen . Figures 21 to 24 show laser arrangements in plan view according to further exemplary embodiments.
Figur 25 zeigt ein beispielhaftes Interferenzmuster einer abgestrahlten elektromagnetischen Welle im Fernfeld . Figur 26 zeigt eine Laseranordnungen in der Aufsicht gemäß einem weiteren Aus führungsbeispiel . Figure 25 shows an exemplary interference pattern of a radiated electromagnetic wave in the far field. Figure 26 shows a top view of a laser arrangement according to a further exemplary embodiment.
Figur 27 zeigt eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Systems gemäß einem Aus führungsbeispiel . Figure 27 shows a schematic representation of an optoelectronic system according to an exemplary embodiment.
In Verbindung mit der Figur 1 ist eine Laseranordnung 10 gezeigt . Insbesondere formt die Laseranordnung einen sogenannten oberflächenemittierenden Photonischer-Kristall- Laser, PCSEL . Im Folgenden kann die Laseranordnung 10 deshalb auch Laser oder PCSEL genannt werden . Die Laseranordnung 10 kann ein Halbleitermaterial aufweisen . A laser arrangement 10 is shown in connection with FIG. 1. In particular, the laser arrangement forms a so-called surface-emitting photonic crystal laser, PCSEL. In the following, the laser arrangement 10 can therefore also be called a laser or PCSEL. The laser arrangement 10 may comprise a semiconductor material.
Die Laseranordnung 10 weist eine aktive Schicht 50 auf , die dazu ausgebildet ist , elektromagnetische Strahlung durch Ladungsträgerrekombination zu generieren . Die aktive Schicht 50 kann ein Halbleitermaterial aufweisen . Die aktive Schicht 50 weist eine erste Hauptfläche und eine der ersten Hauptfläche gegenüberliegende zweite Hauptfläche auf . Die aktive Schicht 50 weist eine Haupterstreckungsebene auf , die in lateralen Richtungen x, y verläuft . In einer transversalen Richtung z , die senkrecht auf der Haupterstreckungsebene steht , weist die aktive Schicht 50 eine Dicke auf . Die ersten Hauptfläche und zweite Hauptfläche verlaufen parallel zu den lateralen Richtungen x, y . Die aktive Schicht 50 kann durch eine Mehrzahl von Schichten (nicht gezeigt ) gebildet sein . Insbesondere kann die aktive Schicht 50 zumindest einen Quantentopf bilden, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist , unter Anlegen eines Treiberstroms elektromagnetische Strahlung einer vorbestimmten Wellenlänge zu emittieren . Beispielsweise ist der zumindest eine Quantentopf ein 2D- Quantentopf , der durch eine dünne Zwischenschicht eines ersten Materials umgeben von Barriereschichten eines zweiten Materials gebildet wird . Die Barriereschichten weisen eine größere Bandlücke als die Zwischenschicht auf . The laser arrangement 10 has an active layer 50 which is designed to generate electromagnetic radiation through charge carrier recombination. The active layer 50 may comprise a semiconductor material. The active layer 50 has a first main surface and a second main surface opposite the first main surface. The active layer 50 has a main extension plane that runs in lateral directions x, y. The active layer 50 has a thickness in a transverse direction z, which is perpendicular to the main extension plane. The first main surface and second main surface run parallel to the lateral directions x, y. The active layer 50 may be formed by a plurality of layers (not shown). In particular, the active layer 50 can form at least one quantum well, which is intended and designed to emit electromagnetic radiation of a predetermined wavelength when a drive current is applied. For example, the at least one quantum well is a 2D quantum well, which is formed by a thin intermediate layer first material is formed surrounded by barrier layers of a second material. The barrier layers have a larger band gap than the intermediate layer.
Die aktive Schicht 50 ist zwischen einer ersten Wellenleiterschicht 30 und einer zweiten Wellenleiterschicht 40 angeordnet . Das kann bedeuten, dass die aktive Schicht 50 in direktem Kontakt zu den Wellenleiterschichten 30 , 40 steht . Die erste Wellenleiterschicht 30 ist an oder auf der ersten Hauptfläche der aktiven Schicht 50 angeordnet . Die zweite Wellenleiterschicht 40 ist an oder auf der zweiten Hauptfläche der aktiven Schicht 50 angeordnet . Es ist auch möglich dass sich zwischen der aktiven Schicht 50 und den j eweiligen Wellenleiterschichten 30 , 40 Zwischenschichten befinden (nicht gezeigt in Fig . 1 ) . Die erste Wellenleiterschicht 30 ist elektrisch kontaktierbar und weist einen ersten Leit f ähigkeitstyp auf . Zum Beispiel ist der erste Leit f ähigkeitstyp der n-Typ . Die erste Wellenleiterschicht 30 kann deshalb mit einem Dotierstof f des n-Typs ( z . B . Sili zium ( Si ) ) dotiert sein . Die zweite Wellenleiterschicht 40 ist ebenfalls elektrisch kontaktierbar und weist einen zweiten Leit f ähigkeitstyp auf . Der zweite Leit f ähigkeitstyp ist dem ersten Leit f ähigkeitstyp entgegengesetzt . Zum Beispiel ist der zweite The active layer 50 is arranged between a first waveguide layer 30 and a second waveguide layer 40 . This can mean that the active layer 50 is in direct contact with the waveguide layers 30, 40. The first waveguide layer 30 is arranged on or on the first main surface of the active layer 50. The second waveguide layer 40 is arranged on or on the second main surface of the active layer 50. It is also possible that there are intermediate layers between the active layer 50 and the respective waveguide layers 30, 40 (not shown in FIG. 1). The first waveguide layer 30 can be electrically contacted and has a first conductivity type. For example, the first conductivity type is n-type. The first waveguide layer 30 can therefore be doped with an n-type dopant (e.g. silicon (Si)). The second waveguide layer 40 can also be electrically contacted and has a second conductivity type. The second conductivity type is opposite to the first conductivity type. For example, the second is
Leit f ähigkeitstyp der p-Typ . Die zweite Wellenleiterschicht 40 kann deshalb mit einem Dotierstof f des p-Typs ( z . B . Magnesium (Mg) ) dotiert sein . Conductivity type the p-type. The second waveguide layer 40 can therefore be doped with a p-type dopant (e.g. magnesium (Mg)).
Die Laseranordnung 10 weist ferner zueinander periodisch angeordnete Zonen 60 auf , die in der ersten Wellenleiterschicht 30 oder in der zweiten Wellenleiterschicht 40 angeordnet sind . Im gezeigten Beispiel nach Figur 1 sind die Zonen 60 in der zweiten Wellenleiterschicht 40 angeordnet . Die Zonen 60 weisen einen Brechungsindex auf , der sich von einem Brechungsindex der die Zonen 60 einbettenden Wellenleiterschicht 30 , 40 unterscheidet . Somit bilden die Zonen 60 mit dieser Wellenleiterschicht 30 , 40 einen zweidimensionalen photonischen Kristall . Wie gezeigt können die Zonen 60 beispielsweise durch Ausnehmungen in der entsprechenden Wellenleiterschicht 30 , 40 definiert sein . Im gezeigten Beispiel werden die Zonen 60 durch Gräben geformt , die sich von einer der aktiven Schicht 50 abgewandten Oberfläche der zweiten Wellenleiterschicht 40 bis in die zweite Wellenleiterschicht 40 hinein erstrecken . Die Zonen 60 können deshalb, wie gezeigt , Luft oder Gas als Material umfassen . Es ist aber auch möglich, dass die Zonen 60 ein anderes Material umfassen, z . B . ein Oxid . Beispielsweise können die Gräben mit dem anderen Material aufgefüllt werden . Die Zonen 60 können nachträglich in die zweite Wellenleiterschicht 40 eingebracht worden sein . Das kann bedeuten, dass die zweite Wellenleiterschicht 40 zunächst als kontinuierliche Schicht , ein Halbleitermaterial aufweisend, geformt wird . Die Zonen 60 können durch Materialveränderung, Materialentfernung oder Materialersetzung in der zweiten Wellenleiterschicht 40 geformt sein . Ein Brechungsindexunterschied zwischen den Zonen 60 und der entsprechenden Wellenleiterschicht 30 , 40 (hier die zweite Wellenleiterschicht 40 ) kann groß sein . The laser arrangement 10 also has zones 60 which are arranged periodically relative to one another and which are arranged in the first waveguide layer 30 or in the second waveguide layer 40 . In the example shown in Figure 1, the zones 60 are in the second Waveguide layer 40 arranged. The zones 60 have a refractive index that differs from a refractive index of the waveguide layer 30 , 40 embedding the zones 60 . The zones 60 thus form a two-dimensional photonic crystal with this waveguide layer 30, 40. As shown, the zones 60 can be defined, for example, by recesses in the corresponding waveguide layer 30, 40. In the example shown, the zones 60 are formed by trenches which extend from a surface of the second waveguide layer 40 facing away from the active layer 50 into the second waveguide layer 40 . The zones 60 may therefore comprise air or gas as a material, as shown. But it is also possible for the zones 60 to comprise a different material, e.g. B. an oxide. For example, the trenches can be filled with the other material. The zones 60 may have been subsequently introduced into the second waveguide layer 40. This can mean that the second waveguide layer 40 is initially formed as a continuous layer comprising a semiconductor material. The zones 60 may be formed by material modification, material removal or material replacement in the second waveguide layer 40. A refractive index difference between the zones 60 and the corresponding waveguide layer 30, 40 (here the second waveguide layer 40) can be large.
Die Zonen 60 können matrixförmig angeordnet sein oder sich - in einer Aufsicht ( siehe zum Beispiel Fig . 21 ) - auf Schnittpunkten eines Gitters befinden . Das Gitter kann aus einer Basis mit mehreren Elementen bestehen . Eine Gitterperiode kann so gewählt werden, dass sie mit einer Wellenlänge der von der aktiven Schicht 50 generierten Strahlung im Wesentlichen übereinstimmt , oder ein ganz zahliges oder nicht-ganz zahliges Viel faches davon darstellt . In transversaler Richtung z sind die Zonen 60 von der aktiven Schicht 50 beabstandet . Ein Abstand der Zonen 60 zu der aktiven Schicht 50 kann für alle Zonen 60 gleich sein, oder auch variieren . Das heißt , dass eine Tiefe der die Zonen 60 bildenden Gräben unterschiedlich sein kann . In einer Aufsicht ( siehe Fig . 21 ) können die Zonen 60 ein kreis förmiges oder elliptisches Profil haben . Es ist aber auch möglich, dass die Zonen 60 ein anderes Profil , z . B . polygonales , insbesondere drei- oder viereckiges , Profil aufweisen . Es kann ferner sein, dass wenigstens zwei Zonen 60 unterschiedliche Profile aufweisen . Die Tiefe der Zonen 60 in transversaler Richtung z und das Profil der Zonen 60 in lateralen Richtungen x, y wirkt sich auf ein Modenprofil des photonischen Kristalls aus . The zones 60 can be arranged in a matrix or - in a top view (see for example FIG. 21) - located at intersections of a grid. The grid can consist of a base with several elements. A grating period can be chosen to substantially match a wavelength of the radiation generated by the active layer 50, or a represents an integer or non-integer multiple of it. The zones 60 are spaced from the active layer 50 in the transverse direction z. A distance between the zones 60 and the active layer 50 can be the same for all zones 60 or can vary. That is, a depth of the trenches forming the zones 60 may be different. In a top view (see FIG. 21), the zones 60 may have a circular or elliptical profile. But it is also possible for the zones 60 to have a different profile, e.g. B. have a polygonal, especially triangular or square, profile. It may also be the case that at least two zones 60 have different profiles. The depth of the zones 60 in the transverse direction z and the profile of the zones 60 in the lateral directions x, y affect a mode profile of the photonic crystal.
Wenn die Zonen 60 nachträglich in die zweite Wellenleiterschicht 40 durch Formung von Gräben eingebracht werden, kann dies beispielsweise durch ein Ätzverfahren bewerkstelligt werden . Die Gräben können mittels Elektronenstrahl-Lithografie , Nanopräge-Lithograf ie , UV/DUV/EUV-Lithograf ie und/oder Trockenätzung geformt werden . Der Ätzprozess kann die Wellenleiterschicht 40 beschädigen, insbesondere können Kristalldefekte rund um die Ätzung auftreten . Solche Kristalldefekte sind in Fig . 1 mittels eines Punktmusters um die Zonen 60 dargestellt . Die Kristalldefekte können die elektrische Leitfähigkeit der zweiten Wellenleiterschicht 40 zumindest in den geschädigten Bereichen verschlechtern . Gemäß einem Aus führungsbeispiel werden die durch die Trockenätzung entstandenen Ätzschäden in der die Zonen 60 einbettenden Wellenleiterschicht 30 , 40 um die Zonen 60 durch nasschemisches Ätzen und/oder einer Temperung reduziert . Beispielsweise werden die geschädigten Bereiche mit Kaliumhydroxid (KOH) weggeätzt oder mit hohen Prozesstemperaturen ausgeheilt . Alternativ erfolgt keine Behebung der Kristalldefekte , da die Laseranordnung 10 über defektfreie Bereiche verfügt , wie im Folgenden beschrieben wird . If the zones 60 are subsequently introduced into the second waveguide layer 40 by forming trenches, this can be accomplished, for example, by an etching process. The trenches can be formed using electron beam lithography, nanoimprint lithography, UV/DUV/EUV lithography and/or dry etching. The etching process can damage the waveguide layer 40, in particular crystal defects can occur around the etching. Such crystal defects are shown in Fig. 1 using a dot pattern around the zones 60. The crystal defects can deteriorate the electrical conductivity of the second waveguide layer 40 at least in the damaged areas. According to one exemplary embodiment, the etching damage caused by the dry etching in the waveguide layer 30, 40 embedding the zones 60 around the zones 60 is reduced by wet chemical etching and/or tempering. For example, the damaged ones Areas etched away with potassium hydroxide (KOH) or annealed with high process temperatures. Alternatively, the crystal defects are not eliminated since the laser arrangement 10 has defect-free areas, as will be described below.
Die Laseranordnung 10 weist zumindest einen Zwischenbereich 70 in der zweiten Wellenleiterschicht 40 auf , in dem keine Zonen 60 angeordnet sind, d . h . an dem keine Grabenätzung durchgeführt wird . Das bedeutet , dass eine Periodi zität der Zonenanordnung von dem zumindest einen Zwischenbereich 70 der die Zonen 60 einbettenden Wellenleiterschicht 30 , 40 unterbrochen wird . In lateralen Richtungen x, y ist der Zwischenbereich 70 neben den Zonen 60 angeordnet , bzw . ist von den Zonen 60 umgeben . Mit anderen Worten bildet der zumindest eine Zwischenbereich 70 einen Defekt des photonischen Kristalls . In lateralen Richtungen x, y ist der zumindest eine Zwischenbereich 70 breiter als ein Abstand zwischen zwei benachbarten Zonen 60 innerhalb der periodischen Zonenanordnung . Mit anderen Worten wird im Zwischenbereich 70 der zweiten Wellenleiterschicht 40 die Anordnung der Zonen 60 ausgesetzt , so dass zumindest dieser Zwischenbereich 70 eine intakte Kristallstruktur aufweist .The laser arrangement 10 has at least one intermediate region 70 in the second waveguide layer 40 in which no zones 60 are arranged, i.e. H . where no trench etching is carried out. This means that a periodicity of the zone arrangement is interrupted by the at least one intermediate region 70 of the waveguide layer 30 , 40 embedding the zones 60 . In the lateral directions x, y, the intermediate region 70 is arranged next to the zones 60, or is surrounded by zones 60. In other words, the at least one intermediate region 70 forms a defect in the photonic crystal. In lateral directions x, y, the at least one intermediate region 70 is wider than a distance between two adjacent zones 60 within the periodic zone arrangement. In other words, the arrangement of the zones 60 is exposed in the intermediate region 70 of the second waveguide layer 40, so that at least this intermediate region 70 has an intact crystal structure.
Die elektrische Leitfähigkeit der zweiten Wellenleiterschicht 40 kann somit verbessert werden . Der Zwischenbereich 70 beeinflusst die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls nur wenig . Der Zwischenbereich 70 kann also als defektfreie Treiberstrom-Zuleitung zur aktiven Schicht 50 dienen . The electrical conductivity of the second waveguide layer 40 can thus be improved. The intermediate region 70 only slightly influences the optical properties of the photonic crystal. The intermediate region 70 can therefore serve as a defect-free driver current supply line to the active layer 50.
Die Laseranordnung 10 nach Figur 1 weist ferner ein SubstratThe laser arrangement 10 according to FIG. 1 also has a substrate
20 auf , das an der der aktiven Schicht 50 abgewandten Oberfläche der ersten Wellenleiterschicht 30 angeordnet ist . Mit anderen Worten ist die erste Wellenleiterschicht 30 zwischen der aktiven Schicht 50 und dem Substrat 20 angeordnet . Das Substrat 20 kann ein Halbleitersubstrat sein . Das Substrat 20 kann dotiert sein, und insbesondere den gleichen Leit f ähigkeitstyp wie die erste Wellenleiterschicht 30 aufweisen ( den ersten Leitfähigkeitstyp ) . Das Substrat 20 kann als Startmaterial in einem Herstellungsprozess für die Laseranordnung 10 dienen . Das kann bedeuten, dass das Substrat 20 am Ende des Herstellungsprozesses wieder entfernt wird . Es ist aber auch möglich, dass das Substrat 20 als Mantelschicht für die Laseranordnung 10 dient und eine Grenz fläche mit der ersten Wellenleiterschicht 30 bildet . Dazu kann die Mantelschicht , d . h . das Substrat 20 , einen niedrigeren Brechungsindex als die erste Wellenleiterschicht 30 aufweisen, so dass eine lateral laufende optische Welle an der Grenz fläche zwischen der ersten Wellenleiterschicht 30 und der Mantelschicht reflektiert , insbesondere totalreflektiert . 20, which is arranged on the surface of the first waveguide layer 30 facing away from the active layer 50. In other words, the first waveguide layer 30 is arranged between the active layer 50 and the substrate 20. The substrate 20 may be a semiconductor substrate. The substrate 20 can be doped, and in particular have the same conductivity type as the first waveguide layer 30 (the first conductivity type). The substrate 20 can serve as a starting material in a manufacturing process for the laser arrangement 10. This can mean that the substrate 20 is removed again at the end of the manufacturing process. However, it is also possible for the substrate 20 to serve as a cladding layer for the laser arrangement 10 and to form an interface with the first waveguide layer 30. For this purpose, the jacket layer, i.e. H . the substrate 20 has a lower refractive index than the first waveguide layer 30, so that a laterally traveling optical wave is reflected, in particular totally reflected, at the interface between the first waveguide layer 30 and the cladding layer.
Wie oben erwähnt kann die Laseranordnung 10 ein Halbleitermaterial umfassen . Insbesondere kann die aktive Schicht 50 , die erste und zweite Wellenleiterschicht 30 , 40 und das Substrat 20 ( falls vorhanden) ein I I I-V- Verbindungshalbleitermaterial aus dem Al InGaN-System umfassen . As mentioned above, the laser assembly 10 may include a semiconductor material. In particular, the active layer 50, the first and second waveguide layers 30, 40 and the substrate 20 (if present) may comprise an I I I-V compound semiconductor material from the Al InGaN system.
In Verbindung mit der Figur 2 ist ein weiteres Aus führungsbeispiel der Laseranordnung 10 gezeigt . Das Aus führungsbeispiel nach Figur 2 unterscheidet sich vom Aus führungsbeispiel nach Figur 1 darin, dass zwischen der aktiven Schicht 50 und der zweiten Wellenleiterschicht 40 eine Akkumulationsschicht 80 angeordnet ist . Die Akkumulationsschicht 80 ist so ausgelegt ist , dass sie in lateralen Richtungen x, y eine Akkumulation von elektrisch positiven Ladungsträgern bereitstellt . Die Akkumulationsschicht 80 kann durch einen Heteroübergang gebildet sein . Aufgrund von Piezofeldern bildet sich an diesem Übergang eine Ansammlung von Löchern oder ein „Löchergas" , welches dank einer höheren lateralen Mobilität der Ladungsträger zu einer Stromaufweitung beitragen kann . Die Stromaufweitung ist in Figur 2 durch nach außen gerichtete Pfeile dargestellt . Die Stromaufweitung erfolgt in transversaler Richtung z unterhalb des Zwischenbereichs 70 . A further exemplary embodiment of the laser arrangement 10 is shown in conjunction with FIG. 2. The exemplary embodiment according to FIG. 2 differs from the exemplary embodiment according to FIG. 1 in that an accumulation layer 80 is arranged between the active layer 50 and the second waveguide layer 40. The accumulation layer 80 is designed to be in lateral directions x, y provides an accumulation of electrically positive charge carriers. The accumulation layer 80 may be formed by a heterojunction. Due to piezo fields, a collection of holes or a "hole gas" forms at this transition, which can contribute to a current expansion thanks to a higher lateral mobility of the charge carriers. The current expansion is shown in Figure 2 by arrows pointing outwards. The current expansion takes place in a transverse manner Direction z below the intermediate region 70.
Figur 3 zeigt schematisch den Ef fekt der Akkumulationsschicht 80 anhand eines Bänderdiagramms . Aufgetragen ist die Energie „E" über die Position „pos" entlang eines Heteroübergangs . Im Halbleiter bilden sich ein Valenzband VB und ein Leitungsband LB aus . Am Heteroübergang, d . h . am Übergang von einer Schicht mit hoher Bandlücke auf eine Schicht mit geringer Bandlücke entstehen Potentialbarrieren für Elektronen bzw . Löcher . Figure 3 shows schematically the effect of the accumulation layer 80 using a band diagram. The energy “E” is plotted over the position “pos” along a heterojunction. A valence band VB and a conduction band LB are formed in the semiconductor. At the heterojunction, i.e. H . At the transition from a layer with a high band gap to a layer with a low band gap, potential barriers for electrons or holes.
Figur 3 zeigt ferner die Quasi-Ferminiveaus EF e, EF h für Elektronen und Löcher . Durch die Akkumulationsschicht 80 verschieben sich diese , so dass sich in Bereichen, wo die Quasi-Ferminiveaus EF e, EF h außerhalb der Bandlücke liegen, Ladungsträgeransammlungen ergeben . Auf diese Weise akkumulieren am Übergang elektrisch positive Ladungsträger ( Löcher ) , d . h . es bildet sich ein zweidimensionales Löchergas aus . Figure 3 also shows the quasi-Fermi levels E F e , E F h for electrons and holes. These are shifted by the accumulation layer 80, so that charge carrier accumulations arise in areas where the quasi-Fermi levels E F e , E F h lie outside the band gap. In this way, electrically positive charge carriers (holes) accumulate at the junction, i.e. H . A two-dimensional hole gas is formed.
In Verbindung mit der Figur 4 ist ein weiteres Aus führungsbeispiel der Laseranordnung 10 gezeigt . Gemäß diesem Aus führungsbeispiel sind die Zonen 60 komplett in der zweiten Wellenleiterschicht 40 eingebettet . Das heißt , dass sich die Zonen 60 nicht bis zur Oberfläche der zweiten Wellenleiterschicht 40 erstrecken, sondern von dieser umschlossen sind . In diesem Fall können die Zonen 60 beispielsweise durch Hohlräume bzw . abgeschlossene Bereiche in der zweiten Wellenleiterschicht 40 gebildet sein . Eine solche Anordnung kann beispielsweise mittels „Regrowth"- Verfahren hergestellt werden . Ausgehend vom Aus führungsbeispiel nach Figur 1 kann beispielsweise eine weitere Wellenleiterschicht 40 ' auf die strukturierte Wellenleiterschicht aufgewachsen werden . Die weitere Wellenleiterschicht 40 ' und die strukturierte Wellenleiterschicht bilden zusammen die zweite Wellenleiterschicht 40 . Die weitere Wellenleiterschicht 40 ' hat ebenfalls den zweiten Leit f ähigkeitstyp . Das kann bedeuten, dass die weitere Wellenleiterschicht 40 ' p-GaN umfasst , welches epitaktisch auf die strukturierte Wellenleiterschicht abgeschieden wird . Eine Prozesstemperatur des „Regrowth"-Prozesses kann hoch sein, aber niedriger als eine Prozesstemperatur beim Aufwachsen der aktiven Schicht 50 . A further exemplary embodiment of the laser arrangement 10 is shown in conjunction with FIG. 4. According to this exemplary embodiment, the zones 60 are completely embedded in the second waveguide layer 40. This means that the zones 60 do not extend to the surface of the second waveguide layer 40, but from it are enclosed. In this case, the zones 60 can be formed, for example, by cavities or closed areas may be formed in the second waveguide layer 40. Such an arrangement can be produced, for example, using the “regrowth” process. Starting from the exemplary embodiment according to FIG The further waveguide layer 40' also has the second conductivity type. This can mean that the further waveguide layer 40' comprises p-GaN, which is epitaxially deposited onto the structured waveguide layer. A process temperature of the “regrowth” process can be high, but lower than a process temperature when growing the active layer 50.
In Verbindung mit der Figur 5 ist ein weiteres Aus führungsbeispiel der Laseranordnung 10 gezeigt . Hier weist die Laseranordnung zusätzlich eine Stromverteilungsschicht 90 auf , die auf der zweiten Wellenleitschicht 40 (bzw . 40 ' ) angeordnet ist . Mit anderen Worten ist die zweite Wellenleiterschicht 40 zwischen der Stromverteilungsschicht 90 und der aktiven Schicht 50 angeordnet . Die Stromverteilungsschicht 90 ist dazu vorgesehen, einen Treiberstrom in lateralen Richtungen x, y zu verteilen . Die Stromverteilung erfolgt hier in transversaler Richtung z über dem Zwischenbereich 70 . Die Ladungsträgermobilität , insbesondere die der Löcher, kann in der zweiten Wellenleiterschicht 40 ( zum Beispiel p-GaN) eingeschränkt sein und mithil fe der Stromverteilungsschicht 90 verbessert werden . Zum Beispiel umfasst die Stromverteilungsschicht 90 ein transparent leitfähiges Oxid, kurz TCO, wie Indiumzinnoxid, kurz ITO, oder besteht daraus . A further exemplary embodiment of the laser arrangement 10 is shown in conjunction with FIG. 5. Here, the laser arrangement additionally has a current distribution layer 90, which is arranged on the second waveguide layer 40 (or 40 '). In other words, the second waveguide layer 40 is arranged between the current distribution layer 90 and the active layer 50. The current distribution layer 90 is intended to distribute a drive current in lateral directions x, y. The current distribution here takes place in the transverse direction z over the intermediate region 70. The charge carrier mobility, in particular that of the holes, can be limited in the second waveguide layer 40 (for example p-GaN) and improved with the help of the current distribution layer 90 become . For example, the current distribution layer 90 includes or consists of a transparent conductive oxide, TCO for short, such as indium tin oxide, ITO for short.
In Verbindung mit der Figur 6 ist ein weiteres Aus führungsbeispiel der Laseranordnung 10 gezeigt . Die Laseranordnung 10 umfasst ferner eine erste Kontaktschicht 100 , die an der der aktiven Schicht 50 abgewandten Seite der ersten Wellenleiterschicht 30 angeordnet ist . Im gezeigten Aus führungsbeispiel ist die erste Kontaktschicht 100 auf dem Substrat 20 angeordnet , und zwar auf der der ersten Wellenleiterschicht 30 abgewandten Seite des Substrats 20 . Die erste Kontaktschicht 100 bedeckt das Substrat 20 ganz flächig . Die erste Kontaktschicht 100 ist dazu vorgesehen, einen elektrischen Kontakt zur ersten Wellenleiterschicht 30 bereitzustellen . Insbesondere wird über die erste Kontaktschicht 100 und die erste Wellenleiterschicht 30 ein Treiberstrom für die aktive Schicht 50 bereitgestellt . A further exemplary embodiment of the laser arrangement 10 is shown in conjunction with FIG. 6. The laser arrangement 10 further comprises a first contact layer 100, which is arranged on the side of the first waveguide layer 30 facing away from the active layer 50. In the exemplary embodiment shown, the first contact layer 100 is arranged on the substrate 20, specifically on the side of the substrate 20 facing away from the first waveguide layer 30. The first contact layer 100 covers the entire surface of the substrate 20. The first contact layer 100 is intended to provide electrical contact to the first waveguide layer 30. In particular, a drive current for the active layer 50 is provided via the first contact layer 100 and the first waveguide layer 30.
Die Laseranordnung 10 umfasst ferner eine zweite Kontaktschicht 110 , die an der der aktiven Schicht 50 abgewandten Seite der zweiten Wellenleiterschicht 40 angeordnet ist . In lateralen Richtung x, y ist die zweite Kontaktschicht 110 neben der Stromverteilungsschicht 90 angeordnet und umschließt diese in lateralen Richtungen x, y . Die zweite Kontaktschicht 110 kann in direktem Kontakt mit der Stromverteilungsschicht 90 sein . Die zweite Kontaktschicht 110 kann in direktem Kontakt mit der zweiten Wellenleiterschicht 40 sein, oder alternativ durch eine dielektrische Zwischenschicht (nicht gezeigt ) von dieser beabstandet sein . Es ist auch möglich, dass die zweite Kontaktschicht 110 zwar im direktem Kontakt mit der zweiten Wellenleiterschicht 40 ist , eine Grenz fläche aber dergestalt bearbeitet ist , das ein direkter elektrischer Kontakt reduziert ist . Beispielsweise wird die Oberfläche der zweiten Wellenleiterschicht 40 mittels reaktivem lonenätzen kristallgeschädigt , so dass ein elektrischer Widerstand erhöht wird . Die zweite Kontaktschicht 110 ist dazu vorgesehen, einen elektrischen Kontakt zur zweiten Wellenleiterschicht 40 bereitzustellen . Bevorzugt wird eine elektrische Verbindung über die Stromverteilungsschicht 90 bereitgestellt . Die erste und zweite Kontaktschicht 100 , 110 können ein hochdotiertes Halbleitermaterial und/oder ein Metall aufweisen . Die erste und zweite Kontaktschicht 100 , 110 umfassen bevorzugt ein Metall , wie Ag, Pt , Au, Pd, Ti , oder bestehen daraus . The laser arrangement 10 further comprises a second contact layer 110, which is arranged on the side of the second waveguide layer 40 facing away from the active layer 50. In the lateral direction x, y, the second contact layer 110 is arranged next to the current distribution layer 90 and surrounds it in the lateral directions x, y. The second contact layer 110 may be in direct contact with the power distribution layer 90. The second contact layer 110 may be in direct contact with the second waveguide layer 40, or alternatively may be spaced from it by a dielectric intermediate layer (not shown). It is also possible that the second contact layer 110 is in direct contact with the second Waveguide layer 40 is an interface but is processed in such a way that direct electrical contact is reduced. For example, the surface of the second waveguide layer 40 is crystal damaged by means of reactive ion etching, so that an electrical resistance is increased. The second contact layer 110 is intended to provide electrical contact to the second waveguide layer 40. Preferably, an electrical connection is provided via the power distribution layer 90. The first and second contact layers 100, 110 may comprise a highly doped semiconductor material and/or a metal. The first and second contact layers 100, 110 preferably comprise or consist of a metal, such as Ag, Pt, Au, Pd, Ti.
Die erste oder die zweite Kontaktschicht 100 , 110 formt eine Apertur 210 , die dazu vorgesehen ist , elektromagnetische Strahlung aus der Laseranordnung 10 aus zukoppeln . Im Aus führungsbeispiel nach Fig . 6 formt die zweite Kontaktschicht eine solche Apertur 210 . Die ausgekoppelte elektromagnetische Strahlung ist durch einen nach oben gerichteten Pfeil illustriert . Das bedeutet , dass elektromagnetische Strahlung über eine der aktiven Schicht 50 abgewandten Oberfläche der zweiten Wellenleiterschicht 40 ausgekoppelt wird . In diesem Aus führungsbeispiel bildet die Laseranordnung 10 also einen sogenannten „Top-Emitter" , da sie elektromagnetische Strahlung in eine die Aufwachsrichtung umfassende Richtung ( die transversale Richtung z ) abstrahlt . In dem gezeigten Aus führungsbeispiel ist eine Spiegelschicht 120 an der der aktiven Schicht 50 abgewandten Seite der ersten Wellenleiterschicht 30 angeordnet . Die SpiegelschichtThe first or second contact layer 100 , 110 forms an aperture 210 which is intended to couple electromagnetic radiation out of the laser arrangement 10 . In the exemplary embodiment according to FIG. 6, the second contact layer forms such an aperture 210. The coupled out electromagnetic radiation is illustrated by an arrow pointing upwards. This means that electromagnetic radiation is coupled out via a surface of the second waveguide layer 40 facing away from the active layer 50 . In this exemplary embodiment, the laser arrangement 10 forms a so-called "top emitter" since it emits electromagnetic radiation in a direction encompassing the growth direction (the transverse direction z). In the exemplary embodiment shown, a mirror layer 120 is on that of the active layer 50 arranged on the opposite side of the first waveguide layer 30. The mirror layer
120 ist zwischen dem Substrat 20 und der ersten120 is between the substrate 20 and the first
Wellenleiterschicht 30 angeordnet . In einem Herstellungsprozess kann die Spiegelschicht 120 vor der ersten Wellenleiterschicht 30 auf dem Substrat 20 abgeschieden werden . Die Spiegelschicht 120 kann als Bragg- Spiegel ( engl : „distributed Bragg reflector" , DBR) ausgebildet sein . Die Spiegelschicht 120 kann einen Schichtstapel aus alternierenden dünnen Schichten unterschiedlicher Brechungsindices umfassen . Die von der Spiegelschicht 120 umfassten Schichten können epitaktisch aufgewachsen sein ( sog . „epi-DBR" ) . Die Spiegelschicht 120 reflektiert vom photonischen Kristall gestreutes Licht , damit dieses hauptsächlich über die Apertur 210 abgestrahlt wird . Waveguide layer 30 arranged. In one During the manufacturing process, the mirror layer 120 can be deposited on the substrate 20 before the first waveguide layer 30. The mirror layer 120 can be designed as a Bragg mirror (distributed Bragg reflector, DBR). The mirror layer 120 can comprise a layer stack of alternating thin layers of different refractive indices. The layers comprised by the mirror layer 120 can be grown epitaxially (so-called "epi-DBR"). The mirror layer 120 reflects light scattered by the photonic crystal to be emitted primarily through the aperture 210 .
In Verbindung mit der Figur 7 ist ein weiteres Aus führungsbeispiel der Laseranordnung 10 gezeigt . In diesem Aus führungsbeispiel bildet die Laseranordnung 10 einen sogenannten „Bottom-Emitter" , da sie elektromagnetische Strahlung entgegen der Aufwachsrichtung ( entgegen der transversalen Richtung z ) abstrahlt . Die ausgekoppelte elektromagnetische Strahlung ist durch einen nach unten gerichteten Pfeil illustriert . Das bedeutet , dass elektromagnetische Strahlung über eine der aktiven Schicht 50 abgewandten Oberfläche der ersten Wellenleiterschicht 30 ausgekoppelt wird . Im Aus führungsbeispiel nach Fig . 7 formt die erste Kontaktschicht 100 die Apertur 210 . Die Spiegelschicht 120 ist hier an der der aktiven Schicht 50 abgewandten Seite der zweiten Wellenleiterschicht 40 angeordnet . Die Spiegelschicht 120 kann auf der Stromverteilungsschicht 90 angeordnet sein . Die Spiegelschicht 120 kann als epi-DBR ausgebildet sein . Alternativ oder zusätzlich kann die Spiegelschicht 120 dielektrische und/oder metallische Schichten umfassen oder aus diesen bestehen . Teile der zweiten Kontaktschicht 110 können die Spiegelschicht 120 bedecken, wie in Abbildung 7 gezeigt . In anderen Worten kann die Spiegelschicht 120 zwischen der Stromverteilungsschicht 90 und der zweiten Kontaktschicht 110 angeordnet sein . Die Spiegelschicht 120 reflektiert vom photonischen Kristall gestreutes Licht , damit dieses hauptsächlich über die Apertur 210 abgestrahlt wird . A further exemplary embodiment of the laser arrangement 10 is shown in conjunction with FIG. 7. In this exemplary embodiment, the laser arrangement 10 forms a so-called “bottom emitter” because it emits electromagnetic radiation counter to the growth direction (opposite to the transverse direction z). The coupled-out electromagnetic radiation is illustrated by a downward-pointing arrow. This means that electromagnetic Radiation is coupled out via a surface of the first waveguide layer 30 facing away from the active layer 50. In the exemplary embodiment according to FIG. 7, the first contact layer 100 forms the aperture 210. The mirror layer 120 is arranged here on the side of the second waveguide layer 40 facing away from the active layer 50 The mirror layer 120 can be arranged on the current distribution layer 90. The mirror layer 120 can be designed as an epi-DBR. Alternatively or additionally, the mirror layer 120 can comprise or consist of dielectric and/or metallic layers. Parts of the second contact layer 110 can be the mirror layer 120 cover, as in Figure 7 shown. In other words, the mirror layer 120 may be arranged between the current distribution layer 90 and the second contact layer 110. The mirror layer 120 reflects light scattered by the photonic crystal to be emitted primarily through the aperture 210 .
In Verbindung mit der Figur 8 ist ein weiteres Aus führungsbeispiel der Laseranordnung 10 . Ähnlich zum Aus führungsbeispiel nach Figur 6 ist die Laseranordnung 10 als Top-Emitter ausgeführt . Anstelle der mittels „Regrowth"- Verfahren gebildeten weiteren Wellenleiterschicht 40 ' , wird die Stromverteilungsschicht 90 direkt auf die strukturierte zweite Wellenleiterschicht 40 aufgebracht . Das kann bedeuten, dass die Stromverteilungsschicht 90 die die Zonen 60 bildendenden Gräben in der zweiten Wellenleiterschicht 40 verschließt und diese bedeckt . Die Stromverteilungsschicht 90 , die beispielsweise ITO umfasst oder daraus besteht , kann mittels Sputterverf ahren abgeschieden werden . Im Gegensatz zum Aus führungsbeispiel nach Figur 6 kann die Stromverteilungsschicht 90 in transversaler Richtung z eine höhere Dicke aufweisen . In conjunction with Figure 8 is a further exemplary embodiment of the laser arrangement 10. Similar to the exemplary embodiment according to FIG. 6, the laser arrangement 10 is designed as a top emitter. Instead of the further waveguide layer 40 'formed using the "regrowth" process, the current distribution layer 90 is applied directly to the structured second waveguide layer 40. This can mean that the current distribution layer 90 closes the trenches forming the zones 60 in the second waveguide layer 40 and covers them The current distribution layer 90, which comprises, for example, or consists of ITO, can be deposited using sputtering methods. In contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 6, the current distribution layer 90 can have a greater thickness in the transverse direction z.
In Verbindung mit der Figur 9 ist ein weiteres Aus führungsbeispiel der Laseranordnung 10 gezeigt . Ähnlich zum Aus führungsbeispiel nach Figur 7 zeigt Figur 9 eine als Bottom-Emitter ausgebildete Laseranordnung 10 , wobei die mittels „Regrowth"-Verf ahren gebildete weitere Wellenleiterschicht 40 ' wie in Figur 8 durch die Stromverteilungsschicht 90 ersetzt ist . A further exemplary embodiment of the laser arrangement 10 is shown in conjunction with FIG. 9. Similar to the exemplary embodiment according to FIG. 7, FIG.
Figur 10 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel der Laseranordnung 10 . Die Stromverteilungsschicht 90 umfasst hier eine Tunnelkontaktschicht 130 oder ist als solche ausgebildet . Die Tunnelkontaktschicht 130 ist direkt auf die strukturierte zweite Wellenleiterschicht 40 aufgebracht . Das kann bedeuten, dass die Tunnelkontaktschicht 130 die die Zonen 60 bildendenden Gräben in der zweiten Wellenleiterschicht 40 verschließt und diese bedeckt . Die Tunnelkontaktschicht 130 kann einen Schichtstapel aus einer dünnen Schicht des ersten Leit f ähigkeitstyps ( z . B . n-Typ ) und einer dünnen Schicht des zweiten Leit f ähigkeitstyps ( z . B . p- Typ ) umfassen, wobei letztere zwischen der zweiten Wellenleiterschicht 40 und der Schicht des ersten Figure 10 shows a further exemplary embodiment of the laser arrangement 10. The current distribution layer 90 here includes or is as such a tunnel contact layer 130 educated . The tunnel contact layer 130 is applied directly to the structured second waveguide layer 40. This can mean that the tunnel contact layer 130 closes the trenches forming the zones 60 in the second waveguide layer 40 and covers them. The tunnel contact layer 130 may comprise a layer stack of a thin layer of the first conductivity type (e.g. n-type) and a thin layer of the second conductivity type (e.g. p-type), the latter between the second waveguide layer 40 and the layer of the first
Leit f ähigkeitstyps angeordnet ist . Die Tunnelkontaktschicht 130 formt auf diese Weise eine Tunneldiode ( engl . : „tunnel j unction" ) . Conductivity type is arranged. In this way, the tunnel contact layer 130 forms a tunnel diode.
In Figur 11 ist ein weiteres Aus führungsbeispiel einer Laseranordnung 10 mit Tunnelkontaktschicht 130 gezeigt . Die Laseranordnung 10 umfasst hier weiterhin eine dritte Wellenleiterschicht 140 , die auf der Tunnelkontaktschicht 130 angeordnet ist und den ersten Leit f ähigkeitstyp aufweist . Die oben erwähnte dünne Schicht des ersten Leit f ähigkeitstyps ist also der dritten Wellenleiterschicht 140 zugewandt . Zum Beispiel weist die dritte Wellenleiterschicht 140 n-GaN auf . Die Zonen 60 erstrecken sich in diesem Beispiel durch die dritte Wellenleiterschicht 140 und die Tunnelkontaktschicht 130 bis in die zweite Wellenleiterschicht 40 . Mit anderen Worten befindet sich die Tunnelkontaktschicht 130 in transversaler Richtung z auf gleicher Höhe mit den Zonen 60 , welche den photonischen Kristall bilden . Die Zonen 60 erstecken sich weiterhin bis in die dritte Wellenleiterschicht 140 . Das bedeutet , dass die Zonen 60 von der zweiten Wellenleiterschicht 40 , der Tunnelkontaktschicht 130 und der dritten Wellenleiterschicht 140 definiert werden . In Figur 12 ist ein weiteres Aus führungsbeispiel einer Laseranordnung 10 mit Tunnelkontaktschicht 130 gezeigt . In diesem Beispiel ist die Tunnelkontaktschicht 130 in transversaler Richtung z über den Zonen 60 angeordnet . Die Zonen 60 sind, wie in Figur 5 , vollständig in der zweiten Wellenleiterschicht 40 eingebettet . Die Tunnelkontaktschicht 130 ist auf der zweiten Wellenleiterschicht 40 angeordnet . Die dritte Wellenleiterschicht 140 ist auf der Tunnelkontaktschicht 130 angeordnet . Wie in Figuren 10 bis 12 gezeigt kann die Tunnelkontaktschicht 130 als Überwachsungsschicht ( engl . : „overgrow" ) der Zonen 60 dienen, oder in die Zonen 60 eingearbeitet sein, oder oberhalb der Zonen 60 angeordnet und von diesen beabstandet sein . A further exemplary embodiment of a laser arrangement 10 with a tunnel contact layer 130 is shown in FIG. The laser arrangement 10 here further comprises a third waveguide layer 140, which is arranged on the tunnel contact layer 130 and has the first conductivity type. The above-mentioned thin layer of the first conductivity type thus faces the third waveguide layer 140. For example, the third waveguide layer 140 comprises n-GaN. In this example, the zones 60 extend through the third waveguide layer 140 and the tunnel contact layer 130 into the second waveguide layer 40. In other words, the tunnel contact layer 130 is located in the transverse direction z at the same height as the zones 60, which form the photonic crystal. The zones 60 continue to extend into the third waveguide layer 140. This means that the zones 60 are defined by the second waveguide layer 40 , the tunnel contact layer 130 and the third waveguide layer 140 . A further exemplary embodiment of a laser arrangement 10 with a tunnel contact layer 130 is shown in FIG. In this example, the tunnel contact layer 130 is arranged over the zones 60 in the transverse direction z. The zones 60 are, as in Figure 5, completely embedded in the second waveguide layer 40. The tunnel contact layer 130 is arranged on the second waveguide layer 40. The third waveguide layer 140 is arranged on the tunnel contact layer 130 . 10 to 12, the tunnel contact layer 130 can serve as an overgrowth layer of the zones 60, or can be incorporated into the zones 60, or can be arranged above the zones 60 and spaced apart from them.
Figur 13 zeigt eine Weiterentwicklung der Laseranordnung 10 nach Figur 10 , bei der die Tunnelkontaktschicht 130 als „overgrow"-Schicht auf den Zonen 60 angeordnet ist . Auf der Tunnelkontaktschicht 130 ist die dritte Wellenleiterschicht 140 angeordnet . Auf der dritten Wellenleiterschicht ist eine weitere Stromverteilungsschicht 160 angeordnet . Das bedeutet , dass die dritte Wellenleiterschicht 140 zwischen der Tunnelkontaktschicht 130 und der weiteren Stromverteilungsschicht 160 angeordnet ist . Die weitere Stromverteilungsschicht 160 hat die gleiche Wirkung wie die Stromverteilungsschicht 90 aus Figur 6 und kann ebenfalls ein transparent leitfähiges Oxid umfassen oder daraus bestehen . Zwischen dem Substrat 20 und der ersten Wellenleiterschicht 30 befindet sich wiederum eine Spiegelschicht 120 . Auf der der Spiegelschicht 120 abgewandten Oberfläche des Substrats 20 ist die erste Kontaktschicht 100 ganz flächig angeordnet . Die zweite Kontaktschicht 110 ist auf bzw . über der dritten Wellenleiterschicht 140 angeordnet und formt eine Apertur 210 . Die zweite Kontaktschicht 110 ist dazu vorgesehen und ausgebildet , einen elektrischen Kontakt über die weitere Stromverteilungsschicht 160 bereitzustellen . Zwischen der zweiten Kontaktschicht 110 und der dritten Wellenleiterschicht 140 ist eine dielektrische Schicht 150 angeordnet , die auch eine kristallgeschädigte Oberflächenschicht der dritten Wellenleiterschicht 140 sein kann . Auf diese Weise wird ein elektrischer Widerstand erhöht und die elektrische Verbindung wird bevorzugt über die weitere Stromverteilungsschicht 160 bereitgestellt . 13 shows a further development of the laser arrangement 10 according to FIG This means that the third waveguide layer 140 is arranged between the tunnel contact layer 130 and the further current distribution layer 160. The further current distribution layer 160 has the same effect as the current distribution layer 90 from Figure 6 and can also comprise or consist of a transparently conductive oxide. Between The substrate 20 and the first waveguide layer 30 in turn have a mirror layer 120. The first contact layer 100 is arranged over the entire surface on the surface of the substrate 20 facing away from the mirror layer 120. The second contact layer 110 is arranged and shaped on or above the third waveguide layer 140 an aperture 210. The second contact layer 110 is intended for this purpose designed to provide an electrical contact via the further current distribution layer 160. A dielectric layer 150 is arranged between the second contact layer 110 and the third waveguide layer 140, which can also be a crystal-damaged surface layer of the third waveguide layer 140. In this way, electrical resistance is increased and the electrical connection is preferably provided via the further current distribution layer 160.
Figur 14 zeigt die Laseranordnung 10 nach Figur 13 als Bottom-Emitter . Alle gezeigten Merkmale wurden in Verbindung mit bereits diskutierten Aus führungsbeispielen ( siehe insbesondere Figur 7 ) erläutert . Figure 14 shows the laser arrangement 10 according to Figure 13 as a bottom emitter. All features shown were explained in connection with exemplary embodiments already discussed (see in particular FIG. 7).
Figur 15 zeigt ein Zwischenprodukt der Laseranordnung 10 innerhalb des Herstellungsprozesses . Der schraf fierte Bereich kann wahlweise den Teil 40 ' der zweiten Wellenleiterschicht 40 , die Stromverteilungsschicht 90 oder die dritte Wellenleiterschicht 140 ( zusammen mit der Tunnelkontaktschicht 130 ) , oder eine Kombination daraus , darstellen, wie oben ausgeführt . Im Folgenden kann dieser Bereich auch Mittelschicht genannt werden . Auf der Mittelschicht ist die Spiegelschicht 120 angeordnet . Die zweite Kontaktschicht 110 bedeckt die Spiegelschicht 120 vollständig . Die Spiegelschicht 120 kann als DBR-Spiegel mit dielektrischen und/oder metallischen Schichten ausgebildet sein . Alternativ, falls keine Stromverteilungsschicht 90 aus TCO verwendet wird, kann die Spiegelschicht auch als epi-DBR ausgebildet sein . Zwischen der ersten Wellenleiterschicht 30 und dem Substrat 20 kann optional eine weitere Spiegelschicht 120 angeordnet sein, diese kann aber auch weggelassen werden . Auf der der ersten Wellenleiterschicht 30 zugewandten Oberfläche des Substrats 20 ist eine Ablöseschicht 170 ( engl . : „release layer" ) angeordnet . Die Ablöseschicht 170 ist dazu vorgesehen und ausgebildet , das Substrat 20 in einem nachfolgenden Prozessschritt abzulösen . Dazu kann, wie in Figur 16 zu sehen, ein Träger 180 an oder über einer der aktiven Schicht 50 abgewandten Seite der zweiten Wellenleiterschicht 40 angeordnet werden . Nach Anbringen des Trägers 180 wird die Laseranordnung 10 auf den Träger 180 gedreht , um das Substrat 20 entlang der Ablöseschicht 170 abzulösen . Figure 15 shows an intermediate product of the laser arrangement 10 within the manufacturing process. The hatched area may optionally represent the portion 40' of the second waveguide layer 40, the current distribution layer 90, or the third waveguide layer 140 (along with the tunnel contact layer 130), or a combination thereof, as discussed above. Hereafter, this area can also be called the middle class. The mirror layer 120 is arranged on the middle layer. The second contact layer 110 completely covers the mirror layer 120. The mirror layer 120 can be designed as a DBR mirror with dielectric and/or metallic layers. Alternatively, if no current distribution layer 90 made of TCO is used, the mirror layer can also be designed as an epi-DBR. A further mirror layer 120 can optionally be arranged between the first waveguide layer 30 and the substrate 20, but this can also be omitted. On the surface of the substrate 20 facing the first waveguide layer 30 there is a release layer 170 (English: “release layer”) is arranged. The release layer 170 is intended and designed to release the substrate 20 in a subsequent process step. For this purpose, as can be seen in Figure 16, a carrier 180 can be on or above one of the active layer 50 opposite side of the second waveguide layer 40. After attaching the carrier 180, the laser arrangement 10 is rotated onto the carrier 180 in order to detach the substrate 20 along the release layer 170.
Figur 16 zeigt die Laseranordnung 10 gemäß Figur 15 nach der Ablösung des Substrats 20 . Der Träger 180 ist in diesem Beispiel auf der zweiten Kontaktschicht 110 angeordnet . Nachdem das Substrat 20 zusammen mit der Ablöseschicht 170 abgelöst worden ist kann optional eine antiref lektierende Schicht 190 auf der der aktiven Schicht 50 abgewandten Seite der ersten Wellenleiterschicht 30 angeordnet werden, wie in Figur 16 zu sehen . Die antiref lektierende Schicht 190 kann strukturiert sein . Des Weiteren wird die erste Kontaktschicht 100 bevorzugt direkt auf der ersten Wellenleiterschicht 30 angeordnet und strukturiert , um eine Apertur 210 zu formen . Durch das Entfernen des Substrats 20 kann ein elektrischer Kontakt zur ersten Wellenleiterschicht 30 und/oder die Abstrahlcharakteristik einer als Bottom-Emitter ausgebildeten Laseranordnung 10 verbessert werden . FIG. 16 shows the laser arrangement 10 according to FIG. 15 after the substrate 20 has been detached. In this example, the carrier 180 is arranged on the second contact layer 110. After the substrate 20 has been detached together with the release layer 170, an anti-reflective layer 190 can optionally be arranged on the side of the first waveguide layer 30 facing away from the active layer 50, as can be seen in Figure 16. The antireflective layer 190 can be structured. Furthermore, the first contact layer 100 is preferably arranged directly on the first waveguide layer 30 and structured to form an aperture 210. By removing the substrate 20, electrical contact to the first waveguide layer 30 and/or the emission characteristics of a laser arrangement 10 designed as a bottom emitter can be improved.
Figur 17 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel der Laseranordnung 10 mit abgelösten Substrat 20 , wobei die Laseranordnung 10 als Top-Emitter ausgebildet ist . In diesem Fall kann die erste Kontaktschicht 100 eine auf der ersten Wellenleiterschicht 30 angeordnete Spiegelschicht 120 vollständig bedecken . Elektromagnetische Strahlung wird in diesem Aus führungsbeispiel über den Träger 180 abgestrahlt , der auf der Mittelschicht angeordnet ist . Die zweite Kontaktschicht 110 kann in diesem Fall auf dem Träger 180 angeordnet sein und eine Apertur 210 formen und einen elektrischen Kontakt herzustellen . Der Träger ist in diesem Fall elektrisch leitfähig . Figure 17 shows a further exemplary embodiment of the laser arrangement 10 with the substrate 20 detached, the laser arrangement 10 being designed as a top emitter. In this case, the first contact layer 100 can completely cover a mirror layer 120 arranged on the first waveguide layer 30. In this exemplary embodiment, electromagnetic radiation is emitted via the carrier 180, which is located in the middle class. In this case, the second contact layer 110 can be arranged on the carrier 180 and form an aperture 210 and produce an electrical contact. In this case, the carrier is electrically conductive.
Figuren 18 und 19 zeigen einen möglichen Herstellungsprozess der Laseranordnung, bei dem die Zonen 60 nicht in der zweiten Wellenleiterschicht 40 , sondern in der ersten Wellenleiterschicht 30 realisiert werden . Insbesondere wird dieser Herstellungsprozess mit der Ablösung des Substrats 20 , wie oben beschrieben, kombiniert , da hierdurch die erste Wellenleiterschicht 30 freigelegt werden kann ( siehe Fig .Figures 18 and 19 show a possible manufacturing process of the laser arrangement, in which the zones 60 are not realized in the second waveguide layer 40, but in the first waveguide layer 30. In particular, this manufacturing process is combined with the detachment of the substrate 20, as described above, since this allows the first waveguide layer 30 to be exposed (see FIG.
18 ) . Nach Aufbringen des Trägers 180 und Ablösen des Substrats 20 werden in die freigelegte erste Wellenleiterschicht 30 die zueinander periodisch angeordneten Zonen 60 eingebracht , wieder beispielsweise mittels Elektronenstrahl-Lithografie , Nanopräge-Lithograf ie , UV/DUV/EUV-Lithograf ie und/oder Trockenätzung ( siehe Figur18). After applying the carrier 180 and detaching the substrate 20, the zones 60 arranged periodically to one another are introduced into the exposed first waveguide layer 30, again for example by means of electron beam lithography, nanoembossing lithography, UV/DUV/EUV lithography and/or dry etching ( see figure
19 ) . Die Zonen 60 weisen in diesem Beispiel einen Brechungsindex auf , der sich von einem Brechungsindex der ersten Wellenleiterschicht 30 unterscheidet . Somit bilden die Zonen 60 mit der ersten Wellenleiterschicht 30 einen zweidimensionalen photonischen Kristall . Die erste Wellenleiterschicht 30 umfasst einen Zwischenbereich 70 , der die Periodi zität der Zonenanordnung unterbricht . Auf die auf diese Weise strukturierte erste Wellenleiterschicht 30 kann eine Deckschicht 200 angeordnet werden, die die Zonen 60 bedeckt . Die Deckschicht 200 kann zum Beispiel ein transparent leitfähiges Oxid ( z . B . Indiumzinnoxid) umfassen oder daraus bestehen . Des Weiteren kann die Deckschicht 200 auch als antiref lektierende Schicht ( engl . : „antiref lective coating" , ARC ) ausgebildet sein . Auf der Deckschicht 200 ist , wie in Fig . 19 zu sehen, die erste Kontaktschicht 100 angeordnet und definiert die Apertur 210 , über die elektromagnetische Strahlung abgestrahlt wird . 19). In this example, the zones 60 have a refractive index that differs from a refractive index of the first waveguide layer 30. The zones 60 thus form a two-dimensional photonic crystal with the first waveguide layer 30. The first waveguide layer 30 includes an intermediate region 70 which interrupts the periodicity of the zone arrangement. A cover layer 200, which covers the zones 60, can be arranged on the first waveguide layer 30 structured in this way. The cover layer 200 can, for example, comprise or consist of a transparently conductive oxide (e.g. indium tin oxide). Furthermore, the cover layer 200 can also be designed as an antireflective coating (ARC). On the cover layer 200, as in Fig. 19, the first contact layer 100 is arranged and defines the aperture 210 through which electromagnetic radiation is emitted.
Figur 20 zeigt eine Weiterentwicklung der Laseranordnung 10 nach Figur 19 . Hier sind die über der zweiten Wellenleiterschicht 40 angeordneten Schichten, insbesondere der Träger 180 und die zweite Kontaktschicht 110 , in lateralen Richtungen x, y breiter ausgeführt , so dass diese in einer Aufsicht seitlich zumindest über die aktive Schicht 50 und die erste Wellenleiterschicht 30 hinausragen . Dies dient dazu, die zweite Wellenleiterschicht 40 von der gleichen Seite wie die erste Wellenleiterschicht 30 zu kontaktieren und somit die elektrische Kontaktierung eines Gesamtaufbaus zu erleichtern . Zwischen der zweiten Kontaktschicht 110 und der zweiten Wellenleiterschicht 40 befindet sich die Mittelschicht , wobei es sich bei der Mittelschicht , wie oben ausgeführt , um den Teil 40 ' der zweiten Wellenleiterschicht 40 , der Stromverteilungsschicht 90 oder einer dritten Wellenleiterschicht 140 handeln kann . Die Mittelschicht besitzt daher elektrische Leitfähigkeit . Die Mittelschicht ragt in einer Aufsicht seitlich ebenfalls zumindest über die aktive Schicht 50 und die erste Wellenleiterschicht 30 hinaus . Auf der Mittelschicht sind auf einer der aktiven Schicht 50 zugewandten Seite der seitlich herausragenden Bereiche Kontakt flächen 110 ' angeordnet , über welche die zweite Wellenleiterschicht 40 kontaktiert werden kann . Figure 20 shows a further development of the laser arrangement 10 according to Figure 19. Here, the layers arranged above the second waveguide layer 40, in particular the carrier 180 and the second contact layer 110, are made wider in the lateral directions x, y, so that in a top view they protrude laterally at least beyond the active layer 50 and the first waveguide layer 30. This serves to contact the second waveguide layer 40 from the same side as the first waveguide layer 30 and thus facilitate the electrical contacting of an overall structure. Between the second contact layer 110 and the second waveguide layer 40 is the middle layer, whereby the middle layer, as explained above, can be the part 40' of the second waveguide layer 40, the current distribution layer 90 or a third waveguide layer 140. The middle layer therefore has electrical conductivity. In a top view, the middle layer also protrudes laterally at least beyond the active layer 50 and the first waveguide layer 30. On the middle layer, on a side of the laterally projecting regions facing the active layer 50, contact surfaces 110' are arranged, via which the second waveguide layer 40 can be contacted.
Figur 21 zeigt eine Aufsicht auf die Apertur 210 , die , wie angedeutet , entweder von der ersten Kontaktschicht 100 oder von der zweiten Kontaktschicht 110 gebildet wird, j e nachdem ob die Laseranordnung 10 als Top- oder Bottom-Emitter ausgebildet ist . Die Apertur 210 nach Figur 21 ist kreis förmig ausgebildet . Weiterhin ist zu sehen, dass die Zonen 60 rasterförmig angeordnet sind, d . h . sich auf Schnittpunkten eines Gitters befinden . Im gezeigten Aus führungsbeispiel weist die Laseranordnung 10 eine Viel zahl von Zwischenbereichen 70 der die Zonen 60 einbettenden Wellenleiterschicht 30 bzw . 40 auf , wobei die Zwischenbereiche 70 in lateralen Richtungen x, y regelmäßig verteilt sind . Es ist aber auch möglich, dass die Zwischenbereiche 70 in lateralen Richtungen x, y zufällig verteilt sind . Wie in Figur 22 zu sehen ist es ebenfalls möglich, dass die Zwischenbereiche 70 radial nach außen hin, d . h . in Richtung des Aperturrandes , abnehmend verteilt sind . Figure 21 shows a top view of the aperture 210, which, as indicated, is formed either by the first contact layer 100 or by the second contact layer 110, depending on whether the laser arrangement 10 is used as a top or bottom emitter is trained . The aperture 210 according to FIG. 21 is circular. It can also be seen that the zones 60 are arranged in a grid shape, i.e. H . are located at intersections of a grid. In the exemplary embodiment shown, the laser arrangement 10 has a large number of intermediate regions 70 of the waveguide layer 30 or 40, whereby the intermediate areas 70 are regularly distributed in lateral directions x, y. But it is also possible for the intermediate areas 70 to be randomly distributed in lateral directions x, y. As can be seen in Figure 22, it is also possible for the intermediate regions 70 to extend radially outwards, i.e. H . are distributed decreasingly in the direction of the aperture edge.
Wie in Figur 23 zu sehen, kann die Apertur 210 auch kreis förmig sein, wobei die die Apertur 210 bildende Kontaktschicht 100 bzw . 110 zumindest einen Steg 111 umfasst , der sich von einem Rand der Apertur 210 radial in Richtung Mittelpunkt der Apertur 210 erstreckt . Der Steg 111 verbessert somit die elektrische Kontaktierung, da ein Treiberstrom nicht nur aus einem peripheren Bereich, sondern auch zentral über dem Abstrahlbereich eingespeist werden kann . Im gezeigten Beispiel weist die j eweilige Kontaktschicht 100 , 110 eine Viel zahl von Stegen auf , die sich wagenradartig über die Apertur 210 erstrecken . Dabei können die Stege an den Zwischenbereichen 70 der die Zonen 60 einbettenden Wellenleiterschicht 30 , 40 ausgerichtet ist . Dass kann insbesondere bedeuten, dass in der Aufsicht die Stege 111 die Zwischenbereiche 70 zumindest teilweise bedecken . Die Stege 111 können außerdem auf einer der j eweiligen Wellenleiterschicht 30 , 40 zugewandten Seite verspiegelt sein, um abzustrahlendes Licht , das von den Stegen 111 blockiert wird, in den Wellenleiter 30 , 40 zurück zu reflektieren und somit weiterhin nutzbar zu machen . As can be seen in Figure 23, the aperture 210 can also be circular, with the contact layer 100 or . 110 comprises at least one web 111 which extends radially from an edge of the aperture 210 towards the center of the aperture 210. The web 111 thus improves the electrical contact, since a driver current can be fed in not only from a peripheral area, but also centrally above the radiation area. In the example shown, the respective contact layer 100, 110 has a large number of webs which extend over the aperture 210 like a cartwheel. The webs can be aligned with the intermediate regions 70 of the waveguide layer 30, 40 embedding the zones 60. This can mean in particular that when viewed from above, the webs 111 at least partially cover the intermediate areas 70. The webs 111 can also be mirrored on a side facing the respective waveguide layer 30, 40 in order to emit light that comes from the Webs 111 are blocked from reflecting back into the waveguide 30, 40 and thus continuing to be usable.
Figur 24 zeigt weiterhin, dass sich die Stege 111 nur über einen peripheren Bereich der Apertur 210 erstrecken können, und ein zentraler Bereich der Apertur 210 somit frei von Stegen 111 ist . Auf diese Weise kann eine Strahlintensität des abgestrahlten Lichts im zentralen Bereich erhöht und gleichzeitig ein verbesserter elektrischer Kontakt bereitgestellt werden . Figure 24 further shows that the webs 111 can only extend over a peripheral region of the aperture 210, and a central region of the aperture 210 is therefore free of webs 111. In this way, a beam intensity of the emitted light in the central area can be increased and at the same time an improved electrical contact can be provided.
Figur 25 zeigt ein mögliches Modenprofil der emittierten Strahlung im Nahfeld der Laseranordnung 10 . Hierbei handelt es sich um ein Interferenzmuster einer von der Grundmodenemission verschiedenen Strahlungsemission . Das Modenprofil umfasst mehrere Knotenbereiche . Wie in Figur 26 zu sehen können die Stege 111 auch so angeordnet sein, dass sie in bestimmten Knotenbereichen einer im Betrieb der Laseranordnung 10 emittierten elektromagnetischen Welle liegen ( die Knotenbereiche des Modenprofils aus Fig . 25 sind in Fig . 26 durch Kreise illustriert ) . Auf diese Weise ist es möglich, dass die Stege 111 Teile der emittierten Welle abschatten, so dass bei Nicht-Grundmodenemission gezielt das Interferenzmuster im Fernfeld zum Beispiel möglichst engwinklig wird . Figure 25 shows a possible mode profile of the emitted radiation in the near field of the laser arrangement 10. This is an interference pattern of a radiation emission that is different from the fundamental mode emission. The mode profile includes several nodal regions. As can be seen in FIG. 26, the webs 111 can also be arranged in such a way that they lie in certain node regions of an electromagnetic wave emitted during operation of the laser arrangement 10 (the node regions of the mode profile from FIG. 25 are illustrated by circles in FIG. 26). In this way, it is possible for the webs 111 to shade parts of the emitted wave, so that in the case of non-fundamental mode emission, the interference pattern in the far field becomes as narrow as possible, for example.
Wie in Figur 27 angedeutet kann die Laseranordnung 10 in einem optoelektronischen System 300 integriert sein . Das optoelektronische System 100 kann ein System sein, in dem üblicherweise ein VCSEL ( engl . : „vertical cavity surface emitting laser" ) oder ein EEL ( engl . : „edge emitting laser" ) zum Einsatz kommt . Die Kontaktschichten 100 , 110 der Laseranordnung 10 können mittels Drahtverbindungen oder Flip- Chip-Montage mit einer Leiterplatte oder Platine des optoelektronischen Systems 300 verbunden sein . Das optoelektronische System 300 kann weitere optische und/oder elektronische Komponenten aufweisen, wie beispielsweise optische Filter, Linsen, Photodetektoren und/oder integrierte Schaltkreise . As indicated in FIG. 27, the laser arrangement 10 can be integrated in an optoelectronic system 300. The optoelectronic system 100 may be a system in which a VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) or an EEL (edge emitting laser) is typically used. The contact layers 100, 110 of the laser arrangement 10 can be made using wire connections or flip-flops. Chip assembly can be connected to a printed circuit board or circuit board of the optoelectronic system 300. The optoelectronic system 300 may include additional optical and/or electronic components, such as optical filters, lenses, photodetectors and/or integrated circuits.
Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Aus führungsbeispiele können gemäß weiteren Aus führungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen expli zit beschrieben sind . Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Aus führungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen . The features and exemplary embodiments described in connection with the figures can be combined with one another according to further exemplary embodiments, even if not all combinations are explicitly described. Furthermore, the exemplary embodiments described in connection with the figures can alternatively or additionally have further features according to the description in the general part.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Aus führungsbeispiele auf diese beschränkt . Vielmehr umfasst die Erfindung j edes neue Merkmal sowie j ede Kombination von Merkmalen, was insbesondere j ede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet , auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht expli zit in den Patentansprüchen oder Aus führungsbeispielen angegeben ist . The invention is not limited to the description based on the exemplary embodiments. Rather, the invention encompasses every new feature and every combination of features, which in particular includes every combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102022105668 . 6 , deren Of fenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird . Bezugs zeichenliste This patent application claims priority over German patent application 102022105668. 6, the disclosure content of which is hereby incorporated by reference. reference character list
10 Laseranordnung 10 laser arrangement
20 Substrat 20 substrate
30 erste Wellenleiterschicht 30 first waveguide layer
40 zweite Wellenleiterschicht 40 second waveguide layer
50 aktive Schicht 50 active shift
60 Zonen 60 zones
70 Zwischenbereich 70 intermediate area
80 Akkumulationsschicht 80 accumulation layer
90 Stromverteilungsschicht 90 power distribution layer
100 erste Kontaktschicht 100 first contact layer
110 zweite Kontaktschicht 110 second contact layer
111 Steg 111 jetty
120 Spiegelschicht 120 mirror layer
130 Tunnelkontaktschicht 130 tunnel contact layer
140 dritte Wellenleiterschicht 140 third waveguide layer
150 dielektrische Schicht 150 dielectric layer
160 weitere Stromverteilungsschicht 160 additional power distribution layer
170 Ablöseschicht 170 release layer
180 Träger 180 carriers
190 antiref lektierende Schicht 190 antireflective layer
200 Deckschicht 200 top coat
210 Apertur 210 aperture
300 optoelektronisches System 300 optoelectronic system
LB Leitungsband LB conduction band
VB Valenzband VB valence band
EF e, EF h Quasi-Ferminiveaus für Elektronen und Löcher x, y laterale Richtungen z transversale Richtung E F e , E F h Quasi-Fermi levels for electrons and holes x, y lateral directions z transverse direction

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Laseranordnung (10) , aufweisend: 1. Laser arrangement (10), comprising:
- eine elektrisch kontaktierbare erste Wellenleiterschicht (30) , die einen ersten Leit f ähigkeitstyp aufweist, - an electrically contactable first waveguide layer (30) which has a first conductivity type,
- eine zweite Wellenleiterschicht (40) , die einen zweiten, dem ersten Leit f ähigkeitstyp entgegengesetzten - A second waveguide layer (40) which has a second conductivity type opposite to the first
Leit f ähigkeitstyp aufweist, has conductivity type,
- eine aktive Schicht (50) zur Generierung elektromagnetischer Strahlung durch Ladungsträgerrekombination, wobei die aktive Schicht (50) zwischen der ersten Wellenleiterschicht (30) und der zweiten Wellenleiterschicht (40) angeordnet ist, - an active layer (50) for generating electromagnetic radiation through charge carrier recombination, the active layer (50) being arranged between the first waveguide layer (30) and the second waveguide layer (40),
- eine erste Kontaktschicht (100) , die an der der aktiven Schicht (50) abgewandten Seite der ersten Wellenleiterschicht (30) angeordnet und dazu vorgesehen ist, einen elektrischen Kontakt zur ersten Wellenleiterschicht (30) bereitzustellen, und eine zweite Kontaktschicht (110) , die an der der aktiven Schicht (50) abgewandten Seite der zweiten Wellenleiterschicht (40) angeordnet und dazu vorgesehen ist, einen elektrischen Kontakt zur zweiten Wellenleiterschicht (40) bereitzustellen, wobei die erste oder die zweite Kontaktschicht (100, 110) eine Apertur (210) formt, die dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlung aus der Laseranordnung (10) auszukoppeln, - a first contact layer (100), which is arranged on the side of the first waveguide layer (30) facing away from the active layer (50) and is intended to provide electrical contact to the first waveguide layer (30), and a second contact layer (110), which is arranged on the side of the second waveguide layer (40) facing away from the active layer (50) and is intended to provide electrical contact to the second waveguide layer (40), wherein the first or second contact layer (100, 110) has an aperture (210 ) which is intended to couple out electromagnetic radiation from the laser arrangement (10),
- eine zwischen der zweiten Kontaktschicht (110) und der zweiten Wellenleitschicht (40) angeordnete dielektrische und/oder kristallgeschädigte Schicht (150) , und - a dielectric and/or crystal-damaged layer (150) arranged between the second contact layer (110) and the second waveguide layer (40), and
- zueinander periodisch angeordnete Zonen (60) , die in der ersten Wellenleiterschicht (30) oder in der zweiten Wellenleiterschicht (40) angeordnet sind, wobei die Zonen (60) einen Brechungsindex aufweisen, der sich von einem Brechungsindex der die Zonen (60) einbettenden Wellenleiterschicht (30, 40) unterscheidet und mit dieser Wellenleiterschicht (30, 40) einen zweidimensionalen photonischen Kristall bilden, wobei - Zones (60) arranged periodically to one another, which are arranged in the first waveguide layer (30) or in the second waveguide layer (40), the zones (60) having a refractive index that differs from one Refractive index of the waveguide layer (30, 40) embedding the zones (60) and form a two-dimensional photonic crystal with this waveguide layer (30, 40), whereby
- eine Periodizität der Zonenanordnung von zumindest einem Zwischenbereich (70) der die Zonen (60) einbettenden Wellenleiterschicht (30, 40) unterbrochen wird. - A periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least one intermediate region (70) of the waveguide layer (30, 40) embedding the zones (60).
2. Laseranordnung (10) nach Anspruch 1, wobei in lateraler2. Laser arrangement (10) according to claim 1, wherein in lateral
Richtung (x, y) der zumindest eine Zwischenbereich (70) breiter ist als ein Abstand zwischen zwei benachbarten ZonenDirection (x, y) of the at least one intermediate region (70) is wider than a distance between two adjacent zones
(60) innerhalb der periodischen Zonenanordnung. (60) within the periodic zone arrangement.
3. Laseranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Zonen (60) durch Gräben oder Hohlräume in der die Zonen (60) einbettenden Wellenleiterschicht (30, 40) definiert sind. 3. Laser arrangement (10) according to one of claims 1 to 2, wherein the zones (60) are defined by trenches or cavities in the waveguide layer (30, 40) embedding the zones (60).
4. Laseranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste elektrische Leit f ähigkeitstyp n-Typ ist, und die Zonen (60) in der ersten Wellenleiterschicht (30) angeordnet sind. 4. Laser arrangement (10) according to one of claims 1 to 3, wherein the first electrical conductivity type is n-type, and the zones (60) are arranged in the first waveguide layer (30).
5. Laseranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der zweite elektrische Leit f ähigkeitstyp p-Typ ist, und die Zonen (60) in der zweiten Wellenleiterschicht (40) angeordnet sind. 5. Laser arrangement (10) according to one of claims 1 to 3, wherein the second electrical conductivity type is p-type, and the zones (60) are arranged in the second waveguide layer (40).
6. Laseranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner eine Akkumulationsschicht (80) aufweist, die zwischen der aktiven Schicht (50) und der zweiten Wellenleiterschicht (40) angeordnet und so ausgelegt ist, dass sie in lateralen Richtungen (x, y) eine Akkumulation von elektrisch positiven6. Laser arrangement (10) according to one of claims 1 to 5, further comprising an accumulation layer (80) which is arranged between the active layer (50) and the second waveguide layer (40) and is designed to be in lateral Directions (x, y) an accumulation of electrically positive
Ladungsträgern bereitstellt . Provides load carriers.
7. Laseranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin aufweisend eine Stromverteilungsschicht (90) , die auf der zweiten Wellenleitschicht (40) angeordnet und dazu vorgesehen ist, einen Treiberstrom in lateralen Richtungen (x, y) zu verteilen. 7. Laser arrangement (10) according to one of claims 1 to 6, further comprising a current distribution layer (90) which is arranged on the second waveguide layer (40) and is intended to distribute a drive current in lateral directions (x, y).
8. Laseranordnung (10) nach Anspruch 7, wobei die Stromverteilungsschicht eine Tunnelkontaktschicht (130) umfasst, und die Laseranordnung (10) weiterhin eine dritte Wellenleiterschicht (140) umfasst, die auf der Tunnelkontaktschicht (130) angeordnet ist und den ersten Leit f ähigkeitstyp aufweist. 8. Laser arrangement (10) according to claim 7, wherein the current distribution layer comprises a tunnel contact layer (130), and the laser arrangement (10) further comprises a third waveguide layer (140) arranged on the tunnel contact layer (130) and the first conductivity type having.
9. Laseranordnung (10) nach Anspruch 8, weiterhin aufweisend eine weitere Stromverteilungsschicht (160) , die auf der dritten Wellenleitschicht (140) angeordnet und dazu vorgesehen ist, den Treiberstrom in lateralen Richtungen (x, y) zu verteilen. 9. Laser arrangement (10) according to claim 8, further comprising a further current distribution layer (160) which is arranged on the third waveguide layer (140) and is intended to distribute the drive current in lateral directions (x, y).
10. Laseranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin aufweisend eine Spiegelschicht (120) , die 10. Laser arrangement (10) according to one of claims 1 to 9, further comprising a mirror layer (120), which
- an der der aktiven Schicht (50) abgewandten Seite der zweiten Wellenleiterschicht (40) angeordnet ist, wobei elektromagnetische Strahlung über eine der aktiven Schicht (50) abgewandten Oberfläche der ersten Wellenleiterschicht (30) ausgekoppelt wird, oder - is arranged on the side of the second waveguide layer (40) facing away from the active layer (50), electromagnetic radiation being coupled out via a surface of the first waveguide layer (30) facing away from the active layer (50), or
- an der der aktiven Schicht (50) abgewandten Seite der ersten Wellenleiterschicht (30) angeordnet ist, wobei elektromagnetische Strahlung über eine der aktiven Schicht (50) abgewandten Oberfläche der zweiten Wellenleiterschicht (40) ausgekoppelt wird. - Is arranged on the side of the first waveguide layer (30) facing away from the active layer (50), electromagnetic radiation being transmitted via one of the active layers (50) facing away from the surface of the second waveguide layer (40) is coupled out.
11. Laseranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiterhin aufweisend eine Vielzahl von Zwischenbereichen (70) der die Zonen (60) einbettenden Wellenleiterschicht (30, 40) , wobei in lateralen Richtungen (x, y) die Zwischenbereiche (70) regelmäßig verteilt sind, oder zufällig verteilt sind, oder radial nach außen hin abnehmend verteilt sind. 11. Laser arrangement (10) according to one of claims 1 to 10, further comprising a plurality of intermediate regions (70) of the waveguide layer (30, 40) embedding the zones (60), wherein in lateral directions (x, y) the intermediate regions (70 ) are regularly distributed, or are randomly distributed, or are distributed decreasing radially outwards.
12. Laseranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei, in einer Aufsicht, die Apertur (210) kreisförmig ist und die die Apertur (210) bildende Kontaktschicht (100, 110) zumindest einen Steg (111) umfasst, der sich von einem Rand der Apertur (210) radial in Richtung Mittelpunkt der Apertur (210) erstreckt. 12. Laser arrangement (10) according to one of claims 1 to 11, wherein, in a top view, the aperture (210) is circular and the contact layer (100, 110) forming the aperture (210) comprises at least one web (111), which extends radially from an edge of the aperture (210) towards the center of the aperture (210).
13. Laseranordnung (10) nach Anspruch 12, wobei der zumindest einen Steg (111) so angeordnet ist, dass er in einem Knotenbereich einer im Betrieb der Laseranordnung (10) emittierten elektromagnetischen Welle liegt, und/oder dass er an dem zumindest einen Zwischenbereich (70) der die Zonen (60) einbettenden Wellenleiterschicht (30, 40) ausgerichtet ist . 13. Laser arrangement (10) according to claim 12, wherein the at least one web (111) is arranged so that it lies in a node region of an electromagnetic wave emitted during operation of the laser arrangement (10), and / or that it lies at the at least one intermediate region (70) of the waveguide layer (30, 40) embedding the zones (60) is aligned.
14. Optoelektronisches System (300) aufweisend eine Laseranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13. 14. Optoelectronic system (300) having a laser arrangement (10) according to one of claims 1 to 13.
15. Verfahren zur Herstellung einer Laseranordnung (10) , aufweisend : 15. Method for producing a laser arrangement (10), comprising:
- Bereitstellen eines eine Hauptfläche aufweisenden Substrats (20) , - Anordnen einer ersten Wellenleiterschicht (30) an der Hauptfläche des Substrats (20) , wobei die erste Wellenleiterschicht (30) einen ersten Leit f ähigkeitstyp aufweist, - Providing a substrate (20) having a main surface, - Arranging a first waveguide layer (30) on the main surface of the substrate (20), the first waveguide layer (30) having a first conductivity type,
- Anordnen einer aktiven Schicht (50) auf die erste Wellenleiterschicht (30) , wobei die aktive Schicht (50) dazu ausgebildet ist, elektromagnetischer Strahlung durch Ladungsträgerrekombination zu generieren, - Arranging an active layer (50) on the first waveguide layer (30), the active layer (50) being designed to generate electromagnetic radiation through charge carrier recombination,
- Anordnen einer zweiten Wellenleiterschicht (40) an einer der ersten Wellenleiterschicht (30) abgewandten Seite der aktiven Schicht (50) , wobei die zweite Wellenleiterschicht (40) einen zweiten, dem ersten Leit f ähigkeitstyp entgegengesetzten Leit f ähigkeitstyp aufweist, - Arranging a second waveguide layer (40) on a side of the active layer (50) facing away from the first waveguide layer (30), the second waveguide layer (40) having a second conductivity type opposite to the first conductivity type,
- Formen von zueinander periodisch angeordneten Zonen (60) in der ersten Wellenleiterschicht (30) oder in der zweiten Wellenleiterschicht (40) , wobei die Zonen (60) einen Brechungsindex aufweisen, der sich von einem Brechungsindex der die Zonen (60) einbettenden Wellenleiterschicht (30, 40) unterscheidet und mit dieser Wellenleiterschicht (30, 40) einen zweidimensionalen photonischen Kristall bilden, und wobei eine Periodizität der Zonenanordnung von zumindest einem Zwischenbereich (70) der die Zonen (60) einbettenden Wellenleiterschicht (30, 40) unterbrochen wird, - Forming zones (60) arranged periodically to one another in the first waveguide layer (30) or in the second waveguide layer (40), the zones (60) having a refractive index that differs from a refractive index of the waveguide layer (60) embedding the zones (60). 30, 40) and form a two-dimensional photonic crystal with this waveguide layer (30, 40), and a periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least one intermediate region (70) of the waveguide layer (30, 40) embedding the zones (60),
- Anordnen einer ersten Kontaktschicht (100) an der der aktiven Schicht (50) abgewandten Seite der ersten Wellenleiterschicht (30) , die dazu vorgesehen ist, einen elektrischen Kontakt zur ersten Wellenleiterschicht (30) bereitzustellen, - Arranging a first contact layer (100) on the side of the first waveguide layer (30) facing away from the active layer (50), which is intended to provide electrical contact to the first waveguide layer (30),
Anordnen einer zweiten Kontaktschicht (110) an der der aktiven Schicht (50) abgewandten Seite der zweiten Wellenleiterschicht (40) , die dazu vorgesehen ist, einen elektrischen Kontakt zur zweiten Wellenleiterschicht (40) bereitzustellen, Arranging a second contact layer (110) on the side of the second waveguide layer (40) facing away from the active layer (50), which is intended for this purpose to provide electrical contact to the second waveguide layer (40),
- wobei die erste oder die zweite Kontaktschicht (100, 110) eine Apertur (210) formt, die dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlung aus der Laseranordnung (10) auszukoppeln, und - wherein the first or second contact layer (100, 110) forms an aperture (210) which is intended to couple out electromagnetic radiation from the laser arrangement (10), and
- Anordnen einer dielektrischen und/oder kristallgeschädigten Schicht (150) zwischen der zweiten Kontaktschicht (110) und der zweiten Wellenleitschicht (40) . - Arranging a dielectric and/or crystal-damaged layer (150) between the second contact layer (110) and the second waveguide layer (40).
16. Verfahren nach Anspruch 15, weiterhin aufweisend 16. The method of claim 15, further comprising
- Anordnen einer Ablöseschicht (170) auf die Hauptfläche des Substrats (20) , wobei die erste Wellenleiterschicht (30) an einer dem Substrat (20) abgewandten Seite der Ablöseschicht (170) angeordnet wird, - Arranging a release layer (170) on the main surface of the substrate (20), the first waveguide layer (30) being arranged on a side of the release layer (170) facing away from the substrate (20),
- Anordnen eines Trägers (180) an eine der aktiven Schicht- Arranging a carrier (180) on one of the active layers
(50) abgewandten Seite der zweiten Wellenleiterschicht (40) , und (50) facing away from the second waveguide layer (40), and
- Ablösen des Substrats (20) entlang der Ablöseschicht- Detachment of the substrate (20) along the detachment layer
(170) . (170) .
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei die Zonen (60) durch Trockenätzung von Gräben oder Hohlräumen in die erste Wellenleiterschicht (30) bzw. die zweite17. The method according to any one of claims 15 to 16, wherein the zones (60) are formed by dry etching trenches or cavities in the first waveguide layer (30) or the second
Wellenleiterschicht (40) geformt werden. Waveguide layer (40) are formed.
18. Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin aufweisend, 18. The method according to claim 17, further comprising:
- nasschemisches Ätzen, das dazu vorgesehen ist, durch die Trockenätzung entstandene Ätzschäden in der die Zonen (60) einbettenden Wellenleiterschicht (30, 40) um die Zonen (60) zu reduzieren, und/oder - Temperung, die dazu vorgesehen ist, durch die Trockenätzung entstandene Ätzschäden in der die Zonen (60) einbettenden Wellenleiterschicht (30, 40) um die Zonen zu reduzieren . - wet chemical etching, which is intended to reduce etching damage caused by the dry etching in the waveguide layer (30, 40) around the zones (60) embedding the zones (60), and/or - Tempering, which is intended to reduce etching damage caused by the dry etching in the waveguide layer (30, 40) around the zones that embeds the zones (60).
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