DE102020200468A1

DE102020200468A1 - Halbleiterlaserdiode und verfahren zur herstellung einer halbleiterlaserdiode

Info

Publication number: DE102020200468A1
Application number: DE102020200468.4A
Authority: DE
Inventors: Jens Ebbecke
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2021-07-22
Also published as: US20230063982A1; WO2021144261A1; DE112021000539A5; DE112021000539B4

Abstract

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

Description

Es wird eine Halbleiterlaserdiode angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, eine Halbleiterlaserdiode anzugeben, die sich durch geringere Kosten, eine höhere Lebensdauer und eine einfachere Handhabung auszeichnet. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht unter anderem darin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleiterlaserdiode anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst beziehungsweise durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Patentansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode umfasst diese eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone. Beispielsweise umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine p-leitende Halbleiterschicht und eine n-leitende Halbleiterschicht, wobei die aktive Zone zwischen der p-leitenden Schicht und der n-leitenden Schicht angeordnet ist. Die aktive Zone dient zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung. Die aktive Zone beinhaltet insbesondere wenigstens eine Quantentopfstruktur in Form eines einzelnen Quantentopfs, kurz SQW, oder in Form einer Multiquantentopfstruktur, kurz MQW. Zusätzlich beinhaltet die aktive Zone eine, bevorzugt mehrere, Nebentopfstrukturen. Beispielsweise wird in der aktiven Zone im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung im blauen oder grünen oder roten Spektralbereich oder im UV-Bereich oder im IR-Bereich erzeugt. Insbesondere ist es möglich, dass in der aktiven Zone elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen einschließlich dem IR-Bereich und einschließlich dem UV-Bereich erzeugt wird.
Beispielsweise basiert die Halbleiterschichtenfolge auf einem Nitridverbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel Al_nIn₁-_n-_mGa_mN, oder auf einem Phosphidverbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel Al_nIn_1-n-mGa_mP, oder auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel Al_nIn_1-n-mGa_mAs, wobei jeweils 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1 ist. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder ihrer oben beschriebenen Ausführungsform weist die Halbleiterschichtenfolge die Form eines allgemeinen Zylinders mit einer Hauptachse auf, die senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge verläuft. Insbesondere verläuft die Hauptachse senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der aktiven Zone. Bevorzugt weist die Halbleiterschichtenfolge die geometrische Form eines geraden Kreiszylinders auf. Beispielsweise ist die Halbleiterschichtenfolge in Draufsicht dann kreisförmig. Insbesondere handelt es dann bei der Hauptachse um eine Rotationssymmetrieachse der Halbleiterschichtenfolge. Mit „gerader Kreiszylinder“ ist hier und im Folgenden eine zylinderförmige geometrische Figur gemeint, die jeweils eine Kreisscheibe als Grundfläche und Deckfläche aufweist sowie eine Mantelfläche, die die Grundfläche mit der Deckfläche verbindet. Insbesondere sind die Grundfläche und die Deckfläche in Sicht senkrecht auf eine der beiden Flächen deckungsgleich. Mit „Draufsicht“ ist hier und im Folgenden eine Ansicht der Halbleiterschichtenfolge in Richtung der Hauptachse gemeint.
Alternativ weist die Halbleiterschichtenfolge beispielsweise die geometrische Form eines Prismas, insbesondere eines geraden Prismas, auf. Insbesondere ist in Draufsicht eine Grundfläche des Prismas zu erkennen. Beispielsweise weist die Halbleiterschichtenfolge in Draufsicht die Form eines Vielecks, insbesondere der eines Sechsecks oder eines Achtecks auf. Mit „Prisma“ ist hier und im Folgenden eine geometrische Figur gemeint, die ein Polygon als Grundfläche und als Deckfläche aufweist. Weiter weist das Prisma eine Mantelfläche auf, die die Grundfläche mit der Deckfläche verbindet. Bei „einem geraden Prisma“ sind die Grundfläche und die Deckfläche in Sicht senkrecht auf eine der beiden Flächen deckungsgleich.
Die Halbleiterschichtenfolge weist in Draufsicht zum Beispiel einen Durchmesser, gemessen senkrecht zur Hauptachse, von mindestens 1 µm und höchstens 500 µm, insbesondere von mindestens 5 µm und höchstens 50 µm, auf. Eine Dicke der Halbleiterschichtenfolge, gemessen parallel zur Hauptachse, beträgt beispielsweise höchstens 20 µm, bevorzugt zwischen einschließlich 2 µm und einschließlich 5 µm. Strahlung, welche im bestimmungsgemäßen Betrieb in der aktiven Zone erzeugt wird, verlässt die Halbleiterlaserdiode beispielsweise quer, insbesondere senkrecht zur Hauptachse.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge einen Kernbereich und einen direkt an den Kernbereich grenzenden Randbereich auf. Die Hauptachse verläuft durch den Kernbereich. Der Randbereich begrenzt den Kernbereich in Richtungen senkrecht zur Hauptachse. Zum Beispiel begrenzt der Randbereich den Kernbereich in allen Richtungen senkrecht zur Hauptachse. Beispielsweise weist der Kernbereich dieselbe geometrische Form auf wie die Halbleiterschichtenfolge. Zum Beispiel weist der Kernbereich die Form eines geraden Kreiszylinders oder die Form eines Prismas auf.
Beispielsweise weist der Kernbereich in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge im Rahmen einer Herstellungstoleranz die Form einer Kreisscheibe auf. Die Herstellungstoleranz erlaubt zum Beispiel Abweichungen von höchstens 10 % oder höchstens 5 %. Vorzugsweise weist der Kernbereich eine Rotationssymmetrieachse auf, welche parallel zu der Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge verläuft. Weiter bevorzugt stimmt die Rotationssymmetrieachse des Kernbereichs mit der Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge überein. Beispielsweise weist der Kernbereich einen Durchmesser, gemessen senkrecht zur Rotationssymmetrieachse, von mindestens 1 µm und von höchstens 500 µm, insbesondere von mindestens 5 µm und 50 µm, auf. Die Dicke des Kernbereichs, gemessen parallel zur Rotationssymmetrieachse, stimmt vorzugsweise mit der Dicke der Halbleiterschichtenfolge überein.
Der Randbereich weist beispielsweise in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge aus Richtung der Hauptachse im Rahmen der Herstellungstoleranz die Form eines Kreisrings auf. Der Randbereich ist in Draufsicht somit bevorzugt durch zwei konzentrische Kreislinien und eine Fläche zwischen den Kreislinien zu erkennen. Insbesondere weist dann der Randbereich die Form eines Hohlzylinders auf. In einer Richtung parallel zur Hauptachse weist der Randbereich bevorzugt eine Dicke auf, die mit der Dicke des Kernbereichs und/oder der Dicke der Halbleiterschichtenfolge übereinstimmt. Der in Draufsicht zu erkennende Kreisring weist zum Beispiel eine Breite, die sich aus dem Unterschied der Durchmesser der konzentrischen Kreise ergibt, auf, die zwischen 100 nm und 10 µm liegt. Bevorzugt beträgt die Breite mindestens 1 µm und höchstens 2 µm. Insbesondere weist der Randbereich ebenfalls eine Rotationssymmetrieachse auf. Bevorzugt verläuft die Rotationssymmetrieachse des Randbereichs parallel zur Rotationssymmetrieachse des Kernbereichs oder zur Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge. Weiter bevorzugt stimmen die Symmetrieachsen des Randbereichs und des Kernbereichs mit der Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge überein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich einen größeren Brechungsindex auf als im Randbereich. Zum Beispiel beträgt der Unterschied im Brechungsindex mindestens 0,1 % und höchstens 1 %. Zum Beispiel beträgt der Unterschied im Brechungsindex 1x10^-3.
Beispielsweise ändert sich der Brechungsindex an einer Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich über eine Strecke von höchstens 200 nm bevorzugt von höchstens 100 nm.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Halbleiterlaserdiode eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone. Die Halbleiterschichtenfolge weist die Form eines allgemeinen Zylinders auf und eine Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge ist senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge weist einen Kernbereich und einen direkt an den Kernbereich grenzenden Randbereich auf. Die Hauptachse verläuft durch den Kernbereich. Der Randbereich begrenzt den Kernbereich in Richtungen senkrecht zur Hauptachse. Die Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich weist einen größeren Brechungsindex auf als im Randbereich.
Einer hier beschriebenen Halbleiterlaserdiode liegen unter anderem folgende technische Besonderheiten zugrunde. Um eine besonders kleine Laserdiode zu realisieren, kann diese zylinderförmig oder in Form eines Prismas mit einem Vieleck als Grundfläche ausgestaltet sein. In einer solchen Halbleiterlaserdiode werden sogenannte Ringmoden, aus dem Englischen auch als Whispering Gallery Modes bekannt, erzeugt. Diese Moden laufen entlang einer Außenseite der Laserdiode, wodurch eine Oberflächenbehandlung der Außenseite erheblichen Einfluss auf die Effizienz und Abstrahlcharakteristik der Laserdiode hat.
Bei herkömmlichen Halbleiterlaserdioden, insbesondere bei Infrarot-Laserdioden, wird beispielsweise die Außenseite mit einem Wasserstoffplasma gereinigt und anschließend passiviert. Die Passivierung erfolgt beispielsweise mit ZnSe oder einem ähnlichen Material. Dieses Verfahren wird zumeist mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) durchgeführt. MBE stellt jedoch einen aufwendigen und kostenintensiven Prozess dar.
Die hier beschriebene Halbleiterlaserdiode macht unter anderem von der Idee Gebrauch, den Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge in einem Randbereich derart zu verändern, dass die Ringmode sich entlang einer Grenzfläche zwischen einem Kernbereich und dem Randbereich ausbreitet. Im Randbereich hat die Halbleiterschichtenfolge einen niedrigeren Brechungsindex als im Kernbereich. Dadurch kommt es zu Totalreflexion an der Grenzfläche, wodurch Strahlung nicht an einer Außenseite der Halbleiterlaserdiode geführt wird, sondern innerhalb der Halbleiterschichtenfolge. Vorteilhafterweise kann damit auf eine aufwendige Reinigung der Außenseite und anschließende Passivierung verzichtet werden. Stattdessen ist es möglich, dass die Außenseite lediglich eine einfache Passivierungsschicht erhält. Somit lässt sich der Einfluss der Außenseite und infolgedessen beispielsweise deren Verunreinigung auf die Abstrahlcharakteristik und Effizienz der Halbleiterlaserdiode verringern und die Halbleiterlaserdiode ist kostengünstiger herstellbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen basieren der Kernbereich und der Randbereich auf dem gleichen Halbleitermaterialsystem.
Beispielsweise basiert die Halbleiterschichtenfolge sowohl im Randbereich als auch im Kernbereich auf demselben Verbindungshalbleitermaterial. Insbesondere ist die Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich und im Randbereich in einem gemeinsamen Aufwachsprozess hergestellt worden. Beispielsweise unterscheidet sich die Halbleiterschichtenfolge im Randbereich von der Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich bezüglich ihrer Dotierung oder ihrer Konzentration an Fremdatomen. Insbesondere wurde der Randbereich auf den Kernbereich nicht nachträglich aufgebracht, sondern sind diese beiden Bereiche im Wesentlichen gleichzeitig epitaktisch aufgewachsen und ist zumindest einer von beiden nach dem Aufwachsen in den Randbereich bzw. den Kernbereich umgewandelt. Insbesondere ist die Halbleiterschichtenfolge einstückig ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen sind im Randbereich der Halbleiterschichtenfolge Fremdatome eingebracht. Handelt es sich bei dem Material der Halbleiterschichtenfolge zum Beispiel um ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial, so sind beispielsweise Atome der zweiten Hauptgruppe in dem Randbereich eingebracht. Insbesondere ist Aluminium in dem Randbereich eingebracht. Beispielsweise sind in dem Randbereich Fremdatome mit einer Konzentration zwischen einschließlich 1x10¹⁷ und 1x10²⁰ cm^-3 eingebracht.
Insbesondere verändert das Einbringen der Fremdatome die Bandlücke der Halbleiterschichtenfolge innerhalb des Randbereichs. Insbesondere wird die Bandlücke vergrößert. Als Folge dazu verringert sich der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Randbereich. Vorteilhafterweise kann durch Einbringen von Fremdatomen im Randbereich der Brechungsindex des Randbereichs gezielt verringert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge die Form eines geraden Kreiszylinders auf. Die Halbleiterschichtenfolge ist bevorzugt rotationssymmetrisch bezüglich der Hauptachse. Insbesondere handelt es sich bei der Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge um eine Rotationssymmetrieachse. Vorzugsweise lassen sich mit solch zylinderförmigen Halbleiterschichtenfolgen besonders kompakte Halbleiterlaserdioden realisieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen, mit der Ausnahme der zuletzt beschriebenen Ausführungsform, weist die Halbleiterschichtenfolge die Form eines Prismas auf. Bevorzugt weist die Halbleiterschichtenfolge die Form eines geraden Prismas auf. Insbesondere weist eine Grundfläche des Prismas, die in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge zu erkennen ist, die Form eines regelmäßigen Vielecks mit mindestens sechs Ecken auf. Beispielsweise weist die Grundfläche die Form eines Sechsecks (Hexagon) oder eines Achtecks (Oktogon) auf. Vorteilhafterweise lässt sich eine Halbleiterlaserdiode mit der geometrischen Form eines Prismas besonders einfach und kostengünstig herstellen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge eine zentrale Zone auf. Die zentrale Zone liegt zumindest teilweise innerhalb des Randbereichs. Die zentrale Zone umfasst die aktive Zone, eine erste Wellenleiterschicht und eine zweite Wellenleiterschicht. Die aktive Zone ist zwischen der ersten und der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet. In Bereiche der zentralen Zone, die innerhalb des Randbereichs liegen, sind Fremdatome eingebracht. Beispielsweise weisen die Wellenleiterschichten jeweils eine Dotierung auf. Beispielsweise ist die erste Wellenleiterschicht n-dotiert und ist die zweite Wellenleiterschicht p-dotiert. Alternativ kann die Dotierung andersherum sein. Insbesondere wird Strahlung, die in der aktiven Zone erzeugt wird, in der zentralen Zone geführt. Bevorzugt breitet sich Strahlung, die in der aktiven Zone erzeugt wird, in der Halbleiterschichtenfolge lediglich in der zentralen Zone aus. Vorteilhafterweise lässt sich durch Einbringen von Fremdatomen in die zentrale Zone der Brechungsindex der zentralen Zone im Randbereich gegenüber dem Brechungsindex im Kernbereich verringern. Damit kann eine Ringmode, die sich in der zentralen Zone ausbreitet, an einer Grenzfläche zwischen dem Randbereich und dem Kernbereich entlanggeführt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist die Halbleiterschichtenfolge eine Hauptfläche auf, an welcher ein dielektrisches Element angeordnet ist. Das dielektrische Element bedeckt den Kernbereich dabei stellenweise. Der Randbereich der Halbleiterschichtenfolge ist frei von dem dielektrischen Element. Das dielektrische Element umfasst ein Dielektrikum. Bei dem Dielektrikum des dielektrischen Elements handelt es sich beispielsweise um ein Oxid, insbesondere um Siliziumdioxid (SiO₂), oder ein Nitrid, wie zum Beispiel Siliziumnitrid (SiN). Das dielektrische Element kann den Kernbereich auch vollständig bedecken. Die Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge ist bevorzugt durch eine nach außen freiliegende Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge gebildet, welche parallel zu der Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge verläuft.
Das dielektrische Element führt insbesondere zu mechanischen Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge, wodurch sich der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge verändert. Insbesondere wird der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge in den Bereichen, in denen ein dielektrisches Element aufgebracht ist, gegenüber den Bereichen, die frei von dem dielektrischen Element sind, erhöht. Die mechanischen Verspannungen setzen sich ausgehend von der Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge in der Halbleiterschichtenfolge fort. Beispielsweise setzen sich die mechanischen Verspannungen in einer Richtung parallel zur Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge bis höchstens 20 µm in die Halbleiterschichtenfolge fort. Beträgt eine Dicke der Halbleiterschichtenfolge, gemessen parallel zur Hauptachse der Halbleiterschichtenfolge, beispielsweise höchstens 5 µm, setzen sich die mechanischen Verspannungen in der gesamten Halbleiterschichtenfolge fort. Vorteilhafterweise lässt sich durch Aufbringen eines dielektrischen Elements der Brechungsindex im Kernbereich gezielt erhöhen. Somit lässt sich durch Aufbringen eines dielektrischen Elements eine Ringmode, die sich in der Halbleiterschichtenfolge ausbreitet, an einer Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich entlang führen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist das dielektrische Element an einer von der Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Seite eine Kontaktstruktur auf. Die Kontaktstruktur durchdringt das dielektrische Element stellenweise. Weiter steht die Kontaktstruktur stellenweise in direktem Kontakt zu der Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere steht die Kontaktstruktur an den Stellen in direktem Kontakt zu der Halbleiterschichtenfolge, an denen sie das dielektrische Element durchdringt. Beispielsweise wird das dielektrische Element in Draufsicht auf die Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge vollkommen von der Kontaktstruktur überdeckt. Bevorzugt steht die Kontaktstruktur mit der Halbleiterschichtenfolge ausschließlich im Kernbereich in direktem Kontakt.
Vorzugsweise verändert das Aufbringen der Kontaktstruktur den Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge an den Stellen, an denen die Kontaktstruktur mit ihr in Kontakt steht, nur unwesentlich.
Die Kontaktstruktur umfasst ein Metall oder mehrere Metalle oder eine Mischung von Metallen. Die Metalle sind zum Beispiel Titan, Platin und Gold.
Insbesondere wird im bestimmungsgemäßen Betrieb die Halbleiterschichtenfolge mittels der Kontaktstruktur bestromt. Vorzugsweise findet dabei eine Stromeinprägung lediglich im Kernbereich der Halbleiterschichtenfolge statt. Dabei wird bevorzugt nur im Kernbereich der Halbleiterschichtenfolge elektromagnetische Strahlung erzeugt. Vorteilhafterweise kann damit ein Großteil der elektromagnetischen Strahlung, insbesondere sämtliche elektromagnetische Strahlung, die im bestimmungsgemäßen Betrieb in der aktiven Zone erzeugt wird, sich an einer Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich ausbreiten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen weist der Randbereich eine Auskoppelstruktur auf. Die Halbleiterschichtenfolge weist im Bereich der Auskoppelstruktur einen höheren Brechungsindex auf als in dem die Auskoppelstruktur umgebenden Randbereich. Beispielsweise ist der Brechungsindex um 1x10^-3 höher im Bereich der Auskoppelstruktur als im Randbereich der Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere ist der Brechungsindex wenigstens 0,01 % und höchstens 1 % höher im Bereich der Auskoppelstruktur des Randbereichs. Beispielsweise hat der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Bereich der Auskoppelstruktur denselben Wert wie der Brechungsindex im Kernbereich.
Beispielsweise werden im Bereich der Auskoppelstruktur keine Fremdatome in die Halbleiterschichtenfolge eingebracht. Vorteilhafterweise ist für eine Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich im Bereich der Auskoppelstruktur die Bedingung für Totalreflexion nicht erfüllt und Strahlung, die sich innerhalb des Kernbereichs ausbreitet, kann die Halbleiterschichtenfolge im Bereich der Auskoppelstruktur verlassen. Weiter vorteilhaft muss dazu von der geometrischen Form der Halbleiterschichtenfolge im Bereich der Auskoppelstruktur nicht abgewichen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen steht die Halbleiterschichtenfolge im Bereich der Auskoppelstruktur in direktem Kontakt mit einem weiteren dielektrischen Element. Beispielsweise umfasst das weitere dielektrische Element dieselben Materialien wie das dielektrische Element, welches den Kernbereich stellenweise bedeckt. Insbesondere werden durch das weitere dielektrische Element mechanische Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge im Bereich der Auskoppelstruktur eingebracht, wodurch sich der Brechungsindex in diesen Bereichen erhöht. Insbesondere wird der Brechungsindex im Bereich der Auskoppelstrukturen über den Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich erhöht. Vorteilhafterweise lässt sich durch eine derartige Erhöhung des Brechungsindex im Bereich der Auskoppelstruktur Strahlung, welche sich im Kernbereich der Halbleiterschichtenfolge ausbreitet, besonders effizient aus der Halbleiterschichtenfolge auskoppeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode oder einer ihrer oben beschriebenen Ausführungsformen basiert die Halbleiterschichtenfolge auf einem Al_nIn_1-n-mGa_mAs Materialsystem, Al_nIn_1-n-mGa_mN-Materialsystem oder Al_nIn_1-n-mGa_mP-Materialsystem, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1 ist. Ferner beträgt ein Brechungsindexunterschied zwischen der Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich und im Randbereich mindestens 0,1 % und höchstens 1 %. Zum Beispiel beträgt der Brechungsindexunterschied mindestens 0,2 % und höchstens 0,5 %.Beispielsweise weist die Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich einen Brechungsindex von 3,5 auf und im Randbereich weist die Halbleiterschichtenfolge einen Brechungsindex von 3,499 auf. Der Brechungsindex wird insbesondere bei einer Wellenlänge bestimmt, die von der aktiven Zone im bestimmungsgemäßen erzeugt wird. Beispielsweise handelt es sich bei dem Brechungsindex um einen mittleren Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge. Bevorzugt handelt es sich bei dem Brechungsindex um den mittleren Brechungsindex in der zentralen Zone der Halbleiterschichtenfolge. Vorteilhafterweise ist ein solcher Brechungsindexunterschied dazu ausreichend, dass Totalreflexion an einer Grenzfläche zwischen dem Randbereich und dem Kernbereich auftritt. Somit lässt sich eine Ringmode an der Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich entlangführen.
Es wird des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode angegeben. Die hier beschriebene Halbleiterlaserdiode und deren Ausführungsform können insbesondere durch das Verfahren hergestellt werden. Das heißt, sämtliche für die Halbleiterlaserdiode offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone bereitgestellt. Beispielsweise wird die Halbleiterschichtenfolge auf einem Substrat bereitgestellt. Beispielsweise handelt es sich bei dem Substrat um ein Aufwachssubstrat, auf dem die Halbleiterschichtenfolge epitaktisch aufgewachsen wurde. Beispielsweise wurde die Halbleiterschichtenfolge auf dem Aufwachssubstrat epitaktisch abgeschieden, zum Beispiel mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie, kurz MOVPE, oder metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung, kurz MOCVD, oder mittels Molekularstrahlepitaxie, kurz MBE. Bevorzugt wurde die Halbleiterschichtenfolge einstückig aufgewachsen.
Alternativ kann die Halbleiterschichtenfolge von dem Aufwachssubstrat abgelöst worden sein und auf das Substrat übertragen worden sein. In diesem Fall unterscheidet sich das Substrat von dem Aufwachssubstrat.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebener Ausführungsform wird die Halbleiterschichtenfolge geätzt, sodass die Halbleiterschichtenfolge die Form eines allgemeinen Zylinders mit einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge verlaufenden Hauptachse aufweist. Beispielsweise wird eine Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge, welche parallel zu der Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge verläuft und eine nach außen freiliegende Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge bildet, mit einer Maske teilweise bedeckt. Vorzugsweise weist die Maske in Draufsicht auf die Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge die Form einer Kreisscheibe oder eines regelmäßigen Vielecks, etwa eines Sechsecks oder eines Achtecks, auf. Nachfolgend wird die Halbleiterschichtenfolge geätzt, sodass nichtmaskierte Bereiche der Halbleiterschichtenfolge abgetragen werden. Beispielsweise wird eine trockenchemische Ätzmethode, wie zum Beispiel Plasmaätzen, oder eine nasschemische Ätzmethode, wie beispielsweise Ätzen mit KOH, verwendet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen werden ein Kernbereich und ein Randbereich der Halbleiterschichtenfolge ausgebildet, wobei der Kernbereich in Richtungen senkrecht zur Hauptachse von dem Randbereich begrenzt wird. Dazu wird ein Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge bereichsweise verändert. Insbesondere wird der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Randbereich gezielt verringert oder der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich gezielt erhöht. Insbesondere weist die Halbleiterschichtenfolge im Randbereich einen geringeren Brechungsindex auf als im Kernbereich. Bevorzugt grenzen der Randbereich und der Kernbereich direkt aneinander, sodass der Randbereich und der Kernbereich eine Grenzfläche ausbilden.
Vorteilhafterweise lässt sich durch einstückiges Ausbilden der Halbleiterschichtenfolge, anschließendes Ätzen und nachfolgendes Ausbilden des Kernbereichs und des Randbereichs eine Halbleiterlaserdiode herstellen, bei der eine Ringmode an einer Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich läuft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Randbereich durch Eindringen von Fremdatomen mittels Diffusion verringert. Ein ähnliches Verfahren ist zum Beispiel aus dem Englischen auch als „Quantum Well Intermixing“ bekannt. Beispielsweise werden Aluminiumatome als Fremdatome im Randbereich der Halbleiterschichtenfolge eingebracht. Zum Beispiel wird die Halbleiterschichtenfolge in diesem Verfahrensschritt auf eine Temperatur zwischen einschließlich 800 °C und 1000 °C erhitzt, sodass die Fremdatome in die Halbleiterschichtenfolge eindiffundieren können. Bevorzugt findet die Diffusion der Fremdatome in die Halbleiterschichtenfolge unter einer Schutzgasatmosphäre statt. Insbesondere wird Argon als Schutzgas verwendet.
Weiter bevorzugt wird die Halbleiterschichtenfolge während des Eindiffundierens von Fremdatomen dielektrisch verkapselt. Beispielsweise wird dazu Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid auf die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht, sodass ein Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge vor den hohen Temperaturen während des Eindiffundierens der Fremdatome geschützt wird. Vorteilhafterweise lässt sich durch Einbringen von Fremdatomen der Brechungsindex im Randbereich besonders einfach verringern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich durch stellenweises Aufbringen eines dielektrischen Elements auf einer Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge erhöht. Beispielsweise wird das dielektrische Element abgeschieden. Insbesondere wird das dielektrische Element mittels Gasphasenabscheidung aufgebracht. Das dielektrische Element umfasst zum Beispiel Siliziumdioxid (SiO₂) und/oder Siliziumnitrid (SiN). Durch das Aufbringen des dielektrischen Elements werden mechanische Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge induziert. Infolge der mechanischen Verspannungen erhöht sich der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich. Vorteilhafterweise lässt sich somit durch Aufbringen des dielektrischen Elements der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Kernbereich erhöhen, ohne dass das Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge äußeren Einflüssen ausgesetzt werden müsste, die das Material beschädigen könnten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird an einer von der Hauptfläche abgewandten Fläche des dielektrischen Elements eine Kontaktstruktur angeordnet. Dabei wird die Kontaktstruktur derart angeordnet, dass die Kontaktstruktur das dielektrische Element stellenweise durchdringt und die Kontaktstruktur stellenweise in direktem Kontakt zur Halbleiterschichtenfolge steht. Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird die Halbleiterschichtenfolge insbesondere durch die Kontaktstruktur bestromt. Beispielsweise umfasst die Kontaktstruktur ein Metall oder mehrere Metalle, wie zum Beispiel Titan, Platin und/oder Gold. Zum Beispiel wird die Kontaktstruktur mittels Sputtern aufgebracht.
Insbesondere wird das dielektrische Element vor dem Aufbringen der Kontaktstruktur strukturiert. Beispielsweise wird das dielektrische Element in einem lithografisch definierten Ätzprozess strukturiert. Bevorzugt wird durch das Aufbringen der Kontaktstruktur auf der Halbleiterschichtenfolge der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge an diesen Stellen nur unwesentlich gegenüber dem Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge, die von dem dielektrischen Element bedeckt ist, verändert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird im Randbereich eine Auskoppelstruktur ausgebildet. Dazu wird der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge im Bereich der Auskoppelstruktur gegenüber den die Auskoppelstruktur umgebenden Randbereich erhöht. Beispielsweise wird im Bereich der Auskoppelstruktur bewusst auf das Eindiffundieren von Fremdatomen verzichtet. Vorteilhafterweise ist im Bereich der Auskoppelstruktur ein Brechungsindexunterschied der Halbleiterschichtenfolge zwischen dem Randbereich und dem Kernbereich geringer als im übrigen Randbereich oder verschwindet vollständig, sodass in diesem Bereich Strahlung, die an der Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich entlang geführt wird, die Halbleiterschichtenfolge verlassen kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird im Bereich der Auskoppelstruktur ein weiteres dielektrisches Element auf der Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Beispielsweise wird das weitere dielektrische Element mit denselben Methoden wie das dielektrische Element, das den Kernbereich bedeckt, aufgebracht und umfasst dieselben Materialien. Vorteilhafterweise lässt sich durch das Aufbringen eines weiteren dielektrischen Elements der Brechungsindex im Bereich der Auskoppelstruktur weiter erhöhen, sodass Strahlung, welche an der Grenzfläche zwischen dem Kernbereich und dem Randbereich entlang läuft, die Halbleiterschichtenfolge bevorzugt im Bereich der Auskoppelstruktur verlässt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens oder dessen oben beschriebenen Ausführungsformen wird auf einer Außenfläche der Halbleiterschichtenfolge, welche quer, insbesondere senkrecht, zur Hauptfläche verläuft, eine Passivierungsschicht angeordnet. Bei der Außenfläche handelt es sich insbesondere um eine Mantelfläche der Halbleiterschichtenfolge. Beispielsweise wird die Passivierungsschicht auf der Außenfläche abgeschieden. Beispielsweise umfasst die Passivierungsschicht ein II-VI-Verbindungshalbleitermaterial, wie zum Beispiel ZnSe. Bevorzugt ist die Passivierungsschicht für elektromagnetische Strahlung, die in der aktiven Zone im bestimmungsgemäßen Betrieb erzeugt wird, transparent. Vorteilhafterweise lässt sich durch Aufbringen einer Passivierungsschicht auf die Außenfläche der Halbleiterschichtenfolge die Halbleiterschichtenfolge besonders gut gegen Umwelteinflüsse schützen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Halbleiterlaserdiode und des Verfahrens ergeben sich aus den folgenden im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. Gleiche, gleichartige und gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht grundsätzlich als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder für eine bessere Verständlichkeit übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:

1 bis 7 und 9 bis 11 Ausführungsbeispiele der Halbleiterlaserdiode in verschiedenen Ansichten,
8A bis 8D verschiedene Verfahrensstadien eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterlaserdiode gemäß eines Ausführungsbeispiels.

Die 1 zeigt eine Halbleiterlaserdiode 1 gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels in Draufsicht auf eine Hauptfläche 10 der Halbleiterschichtenfolge 2. Die Hauptfläche 10 erstreckt sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge 2 und senkrecht zu einer Hauptachse 4 der Halbleiterschichtenfolge 2, die die Form eines geraden Kreiszylinders aufweist. Bei der Hauptachse 4 handelt es sich insbesondere um eine Rotationssymmetrieachse der Halbleiterschichtenfolge 2.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist um die Hauptachse 4 herum einen Kernbereich 5 und, gesehen von der Hauptachse 4, einen den Kernbereich 5 umgebenden Randbereich 6 auf. Der Randbereich 6 und der Kernbereich 5 grenzen direkt aneinander und weisen eine Grenzfläche zueinander auf. Der Kernbereich 5 ist vom Randbereich 6 in Richtung senkrecht zur Hauptachse 4 insbesondere vollständig umschlossen. In Draufsicht auf die Hauptfläche 10 weist der Kernbereich 5 die Form einer Kreisscheibe auf. In derselben Ansicht weist der Randbereich 6 die Form eines Kreisrings auf. Insbesondere weist der Kernbereich 5 und der Randbereich 6 jeweils eine Rotationssymmetrieachse auf, die mit der Hauptachse 4 der Halbleiterschichtenfolge 2 übereinstimmt.
Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist im Randbereich 6 einen geringeren Brechungsindex auf als im Kernbereich 5. Beispielsweise beträgt ein Brechungsindexunterschied der Halbleiterschichtenfolge 2 zwischen dem Randbereich 6 und dem Kernbereich 5 1x10^-3. Aufgrund des Brechungsindexunterschieds zwischen dem Kernbereich 5 und dem Randbereich 6 breitet sich elektromagnetische Strahlung 15, zur Illustration hier und im Folgenden als gestrichelte Linie angedeutet, die in der aktiven Zone 3 der Halbleiterschichtenfolge 2 erzeugt wird, an der Grenzfläche zwischen dem Kernbereich 5 und dem Randbereich 6 in der Halbleiterschichtenfolge 2 aus. Insbesondere wird aufgrund des Brechungsindexunterschieds die elektromagnetische Strahlung 15 an der Grenzfläche mittels Totalreflexion reflektiert. Vorzugsweise bildet sich damit innerhalb des Kernbereichs eine Ringmode der elektromagnetischen Strahlung 15 aus. Vorzugsweise weist der Kernbereich 5 in Draufsicht einen Durchmesser von mindestens 1 µm und höchstens 200 µm, insbesondere von mindestens 5 µm und höchstens 50 µm, auf, wodurch insbesondere die Bedingung für Totalreflexion erfüllt ist. Der Randbereich 6 weist eine Breite, gemessen senkrecht zur Hauptachse 4, auf, die zwischen einschließlich 100 nm und einschließlich 10 µm liegt. Bevorzugt ist die Breite so groß, dass eine evaleszente Welle, welche sich bei der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem Kernbereich 5 und dem Randbereich 6 im Randbereich 6 ausbildet, nicht durch den Randbereich 6 transmittiert wird.
In der 2 ist die Halbleiterlaserdiode der 1 in einer schematischen Schnittansicht gezeigt. Eine Schnittebene verläuft dabei parallel zur Hauptachse 4 und beinhaltet die Hauptachse 4. Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist eine erste Deckschicht 16, eine zweite Deckschicht 17 und eine zentrale Zone 7 auf, wobei die zentrale Zone 7 zwischen der ersten 16 und der zweiten 17 Deckschicht angeordnet ist. Die zentrale Zone 7 weist einen ersten Wellenleiter 8, einen zweiten Wellenleiter 9 und eine aktive Zone 3, die zwischen dem ersten Wellenleiter 8 und dem zweiten Wellenleiter 9 angeordnet ist, auf. In der aktiven Zone 3 wird im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung 15 im sichtbaren Wellenlängenbereich oder im UV-Bereich oder bevorzugt im IR-Bereich erzeugt. Die Halbleiterschichtenfolge 2 basiert vorliegend auf einem Arsenidverbindungshalbleitermaterial, wie etwa InAlGaAs. Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird in der aktiven Zone 3 beispielsweise elektromagnetische Strahlung 15 mit einer Peakwellenlänge von 910 nm erzeugt. Die Peakwellenlänge ist die Wellenlänge, bei der die in der aktiven Zone erzeugte elektromagnetische Strahlung ihr globales Intensitätsmaximum aufweist. Beispielsweise sind die erste Deckschicht 16 und die erste Wellenleiterschicht 8 n-dotiert. Die zweite Deckschicht 17 und die zweite Wellenleiterschicht 9 sind dann p-dotiert. Alternativ kann die Dotierung auch andersherum sein. Vorzugsweise weist die zentrale Zone 7 einen Brechungsindex auf, der von denen der ersten und zweiten Deckschicht 16, 17 verschieden ist. Vorzugsweise breitet sich elektromagnetische Strahlung 15, die in der aktiven Zone 3 erzeugt wird, lediglich in der zentralen Zone 7 aus.
Beispielsweise weist die Halbleiterschichtenfolge 2, insbesondere die zentrale Zone 7, im Kernbereich 5 einen Brechungsindex von 3,5 auf. Beispielsweise handelt es sich bei dem Brechungsindex um einen mittleren Brechungsindex. Vorzugsweise wird der Brechungsindex für Strahlung 15 angegeben, die in der aktiven Zone 3 erzeugt wird. Insbesondere wird der Brechungsindex mit Bezug auf die Peakwellenlänge angegeben. Im vorliegenden Fall also für elektromagnetische Strahlung 15 mit einer Wellenlänge von 910 nm. Die zentrale Zone 7 weist im Randbereich 6 einen Brechungsindex von 3,499 auf. Beispielsweise handelt es sich bei dem Brechungsindex um einen mittleren Brechungsindex.
Vorliegend sind in dem Randbereich 6 der zentralen Zone 7 Fremdatome eingebracht. Bei den Fremdatomen handelt es sich zum Beispiel um Elemente der II. Gruppe, bevorzugt um Aluminium. Durch die Fremdatome ändert sich insbesondere eine Bandlücke der zentralen Zone 7 im Randbereich 6. Infolgedessen wird der Brechungsindex der zentralen Zone 7 im Randbereich 6 verringert. Eine Konzentration der Fremdatome im Randbereich 6 der zentralen Zone 7 beträgt bevorzugt zwischen 1x10¹⁷ und 1x10²⁰ cm^-3.
Die Halbleiterlaserdiode 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 zeigt im Wesentlichen dieselben Merkmale wie die Halbleiterlaserdiode 1 gemäß der 1. Im Unterschied zu der Halbleiterlaserdiode der 1 ist vorliegend der Kernbereich 5 in Draufsicht durch eine Kontaktstruktur 12 bedeckt.
Die Halbleiterlaserdiode 1 der 3 ist in der 4 in einer schematischen Schnittansicht gezeigt. Eine Schnittebene verläuft dabei durch die Hauptachse 4. Auf einer Hauptfläche 10 der Halbleiterschichtenfolge 2 ist ein dielektrisches Element 11 angeordnet. Das dielektrische Element 11 bedeckt stellenweise den Kernbereich 5 der Halbleiterschichtenfolge 2. Insbesondere bedeckt das dielektrische Element 11 einen Großteil der Hauptfläche 10 im Kernbereich 5. An einer Fläche des dielektrischen Elements 11, die von der Hauptfläche 10 abgewandt ist, ist eine Kontaktstruktur 12 angeordnet. Das dielektrische Element 11 wurde stellenweise entfernt, sodass das dielektrische Element 11 vorliegend zweiteilig ausgestaltet ist. Ein erster Teil des optischen Elements 11 weist in Draufsicht die Form einer Kreisscheibe auf. Durch diesen ersten Teil verläuft insbesondere die Hauptachse 4. Der zweite Teil des dielektrischen Elements 11 weist die Draufsicht die Form eines Kreisrings auf, der in allen Richtungen senkrecht zur Hauptachse 4 den ersten Teil des dielektrischen Elements 11 umgibt. In Bereichen, die zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil des dielektrischen Elements 11 ausgebildet sind, durchdringt die Kontaktstruktur 12 das dielektrische Element 11. In diesen Bereichen ist die Kontaktstruktur in direktem Kontakt mit der Halbleiterschichtenfolge 2. Vorzugsweise steht die Kontaktstruktur 12 mit der Halbleiterschichtenfolge 2 ausschließlich im Kernbereich 5 in Kontakt.
Beispielsweise wurde das dielektrische Element 11 auf der Hauptfläche 10 abgeschieden, insbesondere mittels Gasphasenabscheidung, und anschließend in einem lithografisch definierten Ätzprozess strukturiert. Nachfolgend wurde beispielsweise die Kontaktstruktur 12 auf dem dielektrischen Element 11 aufgesputtert.
Das dielektrische Element 11 umfasst zum Beispiel ein Oxid, wie Siliziumdioxid (SiO₂), oder ein Nitrid, wie Siliziumnitrid (SiN). Die Kontaktstruktur 12 ist beispielsweise aus einem Metall, wie Gold, Platin oder Titan, gebildet oder aus einer Mischung dieser Metalle gebildet.
Durch das dielektrische Element 11 werden mechanische Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge 2 induziert. Bevorzugt setzen sich die mechanischen Verspannungen über die gesamte, parallel zur Hauptachse 4 gemessene Dicke der Halbleiterschichtenfolge 2 fort. Aufgrund der mechanischen Verspannungen ist der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 2 im Kernbereich 5 gegenüber dem Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 2 im Randbereich 6 erhöht. Zum Beispiel beträgt ein Brechungsindexunterschied der Halbleiterschichtenfolge 2 zwischen dem Kernbereich 5 und dem Randbereich 6 mindestens 1x10^-3.
Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird die Halbleiterschichtenfolge 2 insbesondere durch die Kontaktstruktur 12 bestromt. Vorzugsweise befindet sich die Kontaktstruktur 12 in direktem Kontakt mit einer Halbleiterschicht der Halbleiterschichtenfolge, die p-dotiert ist. Bei der Kontaktstruktur 12 handelt es sich also bevorzugt um eine p-Kontaktstruktur.
Die Halbleiterlaserdiode 1 der 5 zeigt im Wesentlichen dieselben Merkmale wie die 1 mit dem Unterschied, dass eine Kontaktstruktur 12 an der Hauptfläche 10 angeordnet ist. Bei der Kontaktstruktur 12 handelt es sich vorzugsweise um eine p-Kontaktstruktur 12, die eine Rotationssymmetrieachse aufweist, welche mit der Hauptachse 4 der Halbleiterschichtenfolge 2 übereinstimmt. Die p-Kontaktstruktur 12 befindet sich lediglich in direktem Kontakt mit der Halbleiterschichtenfolge 2 im Kernbereich 5. Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird die Halbleiterschichtenfolge 2 über die Kontaktstruktur 12 bestromt. Aufgrund des direkten Kontakts zwischen der Halbleiterschichtenfolge 2 und der Kontaktstruktur ausschließlich im Kernbereich 5 wird vorzugsweise elektromagnetische Strahlung ausschließlich im Kernbereich 5 erzeugt.
Die Halbleiterlaserdiode 1 der 6 zeigt im Wesentlichen alle Merkmale der Halbleiterlaserdiode von 5 mit dem Unterschied, dass eine Auskoppelstruktur 13 im Randbereich 6 ausgebildet ist. Beispielsweise wurde im Bereich der Auskoppelstruktur 13 auf ein Eindiffundieren von Fremdatomen verzichtet. Insbesondere weist die Halbleiterschichtenfolge 2 im Bereich der Auskoppelstruktur 13 denselben Brechungsindex auf wie im Kernbereich 5. Da im Bereich der Auskoppelstruktur 13 somit kein Brechungsindexunterschied zwischen dem Kernbereich 5 und dem Randbereich 6 vorliegt, ist hier auch die Bedingung für Totalreflexion nicht erfüllt. Elektromagnetische Strahlung 15 kann also die Halbleiterlaserdiode 1 im Bereich der Auskoppelstruktur 13 senkrecht zur Hauptachse 4 verlassen.
Die Halbleiterlaserdiode 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 7 weist im Wesentlichen dieselben Merkmale auf wie die Halbleiterlaserdiode der 6 mit dem Unterschied, dass im Bereich der Auskoppelstruktur 13 ein weiteres dielektrisches Element 14 auf der Hauptfläche 10 angeordnet ist. Das weitere dielektrische Element 14 induziert mechanische Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge 2 im Bereich der Auskoppelstruktur 13, wodurch der Brechungsindex in diesem Bereich gegenüber dem umgebenden Randbereich 6 erhöht wird. Beispielsweise ist im Bereich der Auskoppelstruktur 13 der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 2 über den Wert der Halbleiterschichtenfolge 2 im Kernbereich 5 erhöht. Deshalb wird die Auskopplung von elektromagnetischer Strahlung 15 aus dem Kernbereich 5 im Bereich der Auskoppelstruktur 13 verstärkt.
Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der 8A bis 8D wird zunächst eine Halbleiterschichtenfolge 2 auf einem Substrat 18 bereitgestellt (8A). Mit diesem Verfahren wird insbesondere eine Halbleiterlaserdiode 1 gemäß einem der oben erläuterten Ausführungsbeispiele hergestellt. Die Halbleiterschichtenfolge 2 weist eine erste Deckschicht 16, eine zweite Deckschicht 17 und eine zentrale Zone 7 zwischen diesen beiden Schichten auf. Die zentrale Zone 7 umfasst eine erste Wellenleiterschicht 8, eine zweite Wellenleiterschicht 9 und eine dazwischen angeordnete aktive Zone 3. Das Substrat 18 ist beispielsweise das Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge 2. Insbesondere wurde die Halbleiterschichtenfolge 2 einstückig auf dem Substrat 18 gewachsen.
In einem nächsten Schritt wird eine Maske 19 auf einer Fläche der Halbleiterschichtenfolge 2 aufgebracht, die dem Substrat 18 gegenüberliegt (8B). Beispielsweise wird die Maske 19 auf der Halbleiterschichtenfolge 2 abgeschieden. Bei der Maske 19 handelt es sich zum Beispiel um eine Hartmaske.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden unmaskierte Bereiche der Halbleiterschichtenfolge 2 geätzt (8C). Dabei wird Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge 2 in Bereichen entfernt, die nicht von der Hartmaske 19 bedeckt sind. Nach dem Ätzen weist die Halbleiterschichtenfolge 2 eine Zylinderform auf. Insbesondere weist die Halbleiterschichtenfolge 2 eine Hauptachse 4 auf. Die Hauptachse 4 verläuft senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge 2, insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsebene der aktiven Zone 3.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein Kernbereich 5 und ein Randbereich 6 ausgebildet (8D). Zuvor wurde die Hartmaske 19 entfernt. Der Randbereich 6 wird beispielsweise durch Einbringen von Fremdatomen in die Halbleiterschichtenfolge 2 ausgebildet. Beispielsweise wird ein Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 2 im Randbereich verringert. Die Fremdatome werden zum Beispiel mittels Diffusion in die Halbleiterschichtenfolge 2 eingebracht. Beispielsweise wird Aluminium in die Halbleiterschichtenfolge 2 eindiffundiert, die auf einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial basiert. Durch die Fremdatome ändert sich insbesondere eine Bandlücke der Halbleiterschichtenfolge 2 im Randbereich 6. Infolgedessen wird der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 2 im Randbereich 6 verringert. Insbesondere wird durch Ausbilden des Kernbereichs 5 und des Randbereichs 6 eine fertige Halbleiterlaseriode 1 erzeugt.
Im Unterschied zu der Halbleiterlaserdiode 1 der 1 weist die Halbleiterlaserdiode 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 9 eine zusätzliche Passivierungsschicht 20 auf. Die Passivierungsschicht 20 ist an einer Außenfläche der Halbleiterschichtenfolge 2, insbesondere des Randbereichs 6, angeordnet. Die Außenfläche erstreckt sich quer, insbesondere senkrecht, zur Hauptfläche 10 der Halbleiterschichtenfolge 2. Die Außenfläche bildet eine Mantelfläche der zylinderförmigen Halbleiterschichtenfolge 2. Die Passivierungsschicht 20 bedeckt die Außenfläche vollständig. Die Passivierungsschicht 20 ist beispielsweise mit einem II-VI-Verbindungshalbleitermaterial gebildet, etwa mit ZnSe. Die Passivierungsschicht 20 wurde zum Beispiel nach dem Ausbilden des Randbereichs 6 und Kernbereichs 5 aufgebracht. Beispielsweise wurde die Passivierungsschicht 20 aufgedampft oder auf der Außenfläche abgeschieden.
Das Ausführungsbeispiel der Halbleiterlaserdiode 1 gemäß 10 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 1 darin, dass die Halbleiterschichtenfolge 2 die Form eines Prismas, insbesondere eines geraden Prismas aufweist. In der vorliegenden Draufsicht auf die Hauptfläche 10 ist zu erkennen, dass das Prisma eine Grundfläche in der Form eines regelmäßigen Sechsecks (Hexagon) aufweist. Beispielsweise basiert die Halbleiterschichtenfolge 2 auf GaN. In diesem Fall lässt sich vorteilhafterweise besonders gut eine Halbleiterschichtenfolge 2 mit der vorliegenden geometrischen Form herstellen.
Die Halbleiterlaserdiode 1 der 11 weist im Wesentlichen dieselben Merkmale auf wie die Halbleiterlaserdiode 1 der 10 mit dem Unterschied, dass die Grundfläche des Prismas die Form eines regelmäßigen Achtecks (Oktagon) aufweist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterlaserdiode
2: Halbleiterschichtenfolge
3: aktive Zone
4: Hauptachse
5: Kernbereich
6: Randbereich
7: zentrale Zone
8: erste Wellenleiterschicht
9: zweite Wellenleiterschicht
10: Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge
11: dielektrisches Element
12: Kontaktstruktur
13: Auskoppelstruktur
14: weiteres dielektrisches Element
15: Strahlung
16: erste Deckschicht
17: zweite Deckschicht
18: Substrat
19: Maske
20: Passivierungsschicht

Claims

Halbleiterlaserdiode (1) umfassend eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer aktiven Zone (3), wobei - die Halbleiterschichtenfolge (2) eine Form eines allgemeinen Zylinders aufweist, - eine Hauptachse (4) der Halbleiterschichtenfolge (2) senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge (2) ist, - die Halbleiterschichtenfolge (2) einen Kernbereich (5) und einen direkt an den Kernbereich (5) grenzenden Randbereich (6) aufweist, - die Hauptachse (4) durch den Kernbereich (5) verläuft, - der Randbereich (6) den Kernbereich (5) in Richtungen senkrecht zur Hauptachse (4) begrenzt, - die Halbleiterschichtenfolge (2) im Kernbereich (5) einen größeren Brechungsindex aufweist als im Randbereich (6).
Halbleiterlaserdiode (1) nach Anspruch 1, bei der der Kernbereich (5) und der Randbereich (6) auf dem gleichen Halbleitermaterialsystem basieren.
Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Halbleileiterschichtenfolge (2) die Form eines geraden Kreiszylinders aufweist.
Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Halbleiterschichtenfolge (2) die Form eines Prismas aufweist.
Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im Randbereich (6) Fremdatome in die Halbleiterschichtenfolge (2) eingebracht sind.
Halbleiterlaserdiode (1) nach Anspruch 5, bei der die Halbleiterschichtenfolge (2) eine zentrale Zone (7) aufweist, der zumindest teilweise innerhalb des Randbereichs (6) liegt, wobei - die zentrale Zone (7) die aktive Zone (3), eine erste Wellenleiterschicht (8) und eine zweite Wellenleiterschicht (9) umfasst, - die aktive Zone (3) zwischen der ersten und der zweiten Wellenleiterschicht (8, 9) angeordnet ist, und - in Bereiche der zentralen Zone (7), die innerhalb des Randbereichs (6) liegen, Fremdatome eingebracht sind.
Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der auf einer Hauptfläche (10) der Halbleiterschichtenfolge (2) einem dielektrischen Element (11) angeordnet ist, wobei - das dielektrische Element (11) den Kernbereich (5) stellenweise bedeckt, und - der Randbereich (6) frei von dem dielektrische Element (11) ist.
Halbleiterlaserdiode (1) nach Anspruch 7, bei der an einer von der Hauptfläche (10) abgewandten Fläche des dielektrischen Elements (11) eine Kontaktstruktur (12) angeordnet ist, wobei - die Kontaktstruktur (12) das dielektrische Element (11) stellenweise durchdringt und - die Kontaktstruktur (12) stellenweise in direktem Kontakt zu der Halbleiterschichtenfolge (2) steht.
Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der - der Randbereich (6) eine Auskoppelstruktur (13) umfasst, wobei - die Halbleiterschichtenfolge (2) im Bereich der Auskoppelstruktur (13) einen höheren Brechungsindex aufweist als in dem die Auskoppelstruktur (13) umgebenden Randbereich (6).
Halbleiterlaserdiode (1) nach Anspruch 9, bei der die Halbleiterschichtenfolge (2) im Bereich der Auskoppelstruktur (13) in direktem Kontakt mit einem weiteren dielektrischen Element (14) steht.
Halbleiterlaserdiode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der - die Halbleiterschichtenfolge (2) auf einem Al_nIn_1-n-mGa_mAs-Materialsystem, einem Al_nIn_1-n-mGa_mN-Materialsystem oder einem Al_nIn_1-n-mGa_mP-Materialsystem basiert, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1 ist, - ein Brechungsindexunterschied zwischen der Halbleiterschichtenfolge (2) im Kernbereich (5) und im Randbereich (6) mindestens 0,1 % und höchstens 1 % beträgt.
Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterlaserdiode (1) umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen einer Halbleiterschichtenfolge (2) mit einer aktiven Zone (3); - Ätzen der Halbleiterschichtenfolge (2), sodass die Halbleiterschichtenfolge (2) eine Form eines allgemeinen Zylinders mit einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Halbleiterschichtenfolge (2) verlaufenden Hauptachse (4) aufweist; - Ausbilden eines Kernbereichs (5) und eines Randbereichs (6), indem ein Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) bereichsweise verändert wird, wobei der Kernbereich (5) in Richtungen senkrecht zur Hauptachse (4) von dem Randbereich (6) begrenzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) im Randbereich (6) durch Einbringen von Fremdatomen mittels Diffusion verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) im Kernbereich (5) durch stellenweises Aufbringen eines dielektrischen Elements (11) auf eine Hauptfläche (10) der Halbleiterschichtenfolge (2) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem an einer von der Hauptfläche (10) abgewandten Fläche des dielektrischen Elements (11) eine Kontaktstruktur (12) derart angeordnet wird, dass - die Kontaktstruktur (12) das dielektrische Element (11) stellenweise durchdringt und - die Kontaktstruktur (12) stellenweise in direktem Kontakt zu der Halbleiterschichtenfolge (2) steht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem im Randbereich (6) eine Auskoppelstruktur (13) ausgebildet wird, indem der Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) im Bereich der Auskoppelstruktur (13) gegenüber dem die Auskoppelstruktur (13) umgebenden Randbereich (6) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem im Bereich der Auskoppelstruktur (13) ein weiteres dielektrisches Element (14) auf der Halbleiterschichtenfolge (2) angeordnet wird.