DE102017119778A1 - Laserbauelement, Verwendung eines Laserbauelements, Vorrichtung mit Laserbauelement und Verfahren zur Herstellung von Laserbauelementen - Google Patents

Laserbauelement, Verwendung eines Laserbauelements, Vorrichtung mit Laserbauelement und Verfahren zur Herstellung von Laserbauelementen Download PDF

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Abstract

Es wird ein Laserbauelement (1) angegeben, umfassend
- einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (10), welcher dazu eingerichtet ist elektromagnetische Strahlung entlang einer Abstrahlungsachse zu emittieren,
- ein optisches Element (20), welches dem Halbleiterlaser (10) entlang der Abstrahlungsachse nachgeordnet ist, wobei das optische Element (20) eine diffraktive Struktur (200) umfasst, und
- ein weiteres optisches Element (25), das dazu eingerichtet ist, eine bezogen auf die Abstrahlungsachse asymmetrische Abstrahlung der Strahlung zu bewirken.
Weiterhin werden eine Verwendung eines Laserbauelements, eine Vorrichtung (9) mit einem Laserbauelement und ein Verfahren zur Herstellung von Laserbauelementen angegeben.

Description

  • Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Laserbauelement, eine Verwendung eines Laserbauelements, eine Vorrichtung mit einem Laserbauelement sowie ein Verfahren zur Herstellung von Laserbauelementen.
  • Halbleiterlaser strahlen typischerweise senkrecht oder parallel zu einer Oberfläche, auf welcher sie montiert sind, ab. Für verschiedene Anwendungen ist jedoch eine schräge Abstrahlung günstig.
  • Eine Aufgabe ist es, eine schräge Abstrahlung zu erzielen, insbesondere in besonders kompakter und augensicherer Weise.
  • Weiterhin soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem ein Halbleiterlaser einfach und zuverlässig hergestellt werden kann.
  • Diese Aufgaben werden unter anderem durch ein Laserbauelement beziehungsweise ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Es wird ein Laserbauelement angegeben. Das Laserbauelement ist insbesondere dazu eingerichtet, im Betrieb eine elektromagnetische Strahlung, insbesondere im sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Spektralbereich zu emittieren.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Laserbauelements weist das Laserbauelement einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser auf, welcher dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung entlang einer Abstrahlungsachse zu emittieren. Der Halbleiterlaser weist zum Beispiel eine Halbleiterschichtenfolge auf, welche insbesondere einen aktiven Bereich umfasst, der zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet ist. Die Abstrahlungsachse verläuft insbesondere senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs. Die Abstrahlungsachse verläuft also parallel zu einer Wachstumsrichtung bei der insbesondere epitaktischen Abscheidung der Halbleiterschichtenfolge.
  • Beispielsweise befindet sich der aktive Bereich in einem Resonator für die zu emittierende elektromagnetische Strahlung. Beispielsweise ist der Halbleiterlaser ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser, insbesondere ein VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Der Halbleiterlaser ist insbesondere elektrisch gepumpt. Das heißt, durch Anlegen einer externen elektrischen Spannung ist der Halbleiterlaser zur Emission von kohärenter Strahlung anregbar.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Laserbauelements weist das Laserbauelement ein optisches Element auf, welches dem Halbleiterlaser entlang der Abstrahlungsachse nachgeordnet ist. Im bestimmungsgemäßen Betrieb trifft ein Großteil, also wenigstens 50 %, insbesondere wenigstens 90 %, oder die gesamte der von dem Halbleiterlaser emittierten elektromagnetischen Strahlung auf das optische Element. Das optische Element ist beispielsweise dazu eingerichtet, die vom Halbleiterlaser emittierte elektromagnetische Strahlung zu beeinflussen, insbesondere räumlich zu formen. Beispielsweise ist das optische Element dazu eingerichtet, die Strahlung zu fokussieren, umzulenken, aufzuweiten oder an ein vorgegebenes Abstrahlprofil anzupassen. Insbesondere kann das optische Element dazu eingerichtet sein, die von dem Halbleiterlaser emittierte Strahlung in mehrere Teilstrahlen aufzuteilen. Die Teilstrahlen verlaufen schräg zueinander, so dass die Aufteilung in Teilstrahlen insgesamt eine Aufweitung der Strahlung bewirkt.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Laserbauelements umfasst das optische Element eine diffraktive Struktur. Die diffraktive Struktur ist dazu eingerichtet, von dem Halbleiterlaser emittierte elektromagnetische Strahlung mittels Beugung zu beeinflussen. Beispielsweise umfasst die diffraktive Struktur periodisch angeordnete Elemente, an denen die von dem Halbleiterlaser emittierte elektromagnetische Strahlung gebeugt wird. Die Elemente können insbesondere in lateraler Richtung periodisch angeordnet sein. Eine Strukturgröße der Elemente in lateraler und/oder vertikaler Richtung liegt insbesondere in der Größenordnung der Wellenlänge der von dem Halbleiterlaser emittierten elektromagnetischen Strahlung im Material des optischen Elements, beispielsweise zwischen einschließlich dem 0,1-Fachen und einschließlich dem Zehnfachen einer Peak-Wellenlänge, insbesondere einschließlich dem 0,3-Fachen und einschließlich dem Dreifachen der von dem Halbleiterlaser emittierten Strahlung.
  • Die Elemente können beispielsweise Bereiche sein, welche einen Brechungsindex aufweisen, der von dem umgebenden Material verschieden ist.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Laserbauelements weist das Laserbauelement ein weiteres optisches Element auf. Das weitere optische Element ist insbesondere dazu eingerichtet, eine bezogen auf die Abstrahlungsachse asymmetrische Abstrahlung der Strahlung des Laserbauelements zu bewirken. Insbesondere ist die von dem Laserbauelement abgestrahlte Strahlung nicht achsensymmetrisch und nicht rotationssymmetrisch zur Abstrahlungsachse des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers. Das Laserbauelement ist beispielsweise selbst bereits derart ausgebildet, dass die von dem Laserbauelement abgestrahlte Strahlung eine Hauptabstrahlrichtung aufweist, die schräg, also weder parallel noch senkrecht zur Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs verläuft. Für eine schräge Abstrahlung ist also kein dem Laserbauelement nachgeordnetes optisch wirksames Element erforderlich.
  • Das weitere optische Element ist beispielsweise ein refraktives Element. Ein refraktives Element basiert auf der Brechung an Grenzflächen zwischen Materialien mit voneinander verschiedenen Brechungsindizes.
  • In mindestens einer Ausführungsform des Laserbauelements umfasst das Laserbauelement einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, welcher dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung entlang einer Abstrahlungsachse zu emittieren. Das Laserbauelement umfasst weiterhin ein optisches Element und ein weiteres optisches Element, wobei das optische Element dem Halbleiterlaser entlang der Abstrahlungsrichtung nachgeordnet ist, wobei das optische Element eine diffraktive Struktur umfasst. Das weitere optische Element ist dazu eingerichtet, eine bezogen auf die Abstrahlungsachse asymmetrische Abstrahlung der Strahlung zu bewirken.
  • Das Laserbauelement weist also zwei optische Elemente auf, die voneinander verschiedene Aufgaben erfüllen können, beispielsweise eine Strahlungsaufweitung durch das optische Element und eine nachfolgende Strahlungsumlenkung durch das weitere optische Element. Insbesondere kann das weitere optische Element ausschließlich strahlungsumlenkend wirken. Davon abweichend kann das weitere optische Element selbst auch strahlungsformend, etwa strahlungsaufweitend wirken.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Laserbauelements verläuft die Hauptabstrahlungsrichtung des Laserbauelements schräg zur Abstrahlungsachse des Halbleiterlasers. Beispielsweise schließen die Abstrahlungsachse und die Hauptabstrahlungsrichtung einen Winkel von mindestens 5°, mindestens 10° oder mindestens 15° ein. Beispielsweise weist der oberflächenemittierende Halbleiterlaser ein Abstrahlprofil auf, das zumindest näherungsweise rotationssymmetrisch zur Abstrahlungsachse ist und ein Gaußförmiges Profil aufweist.
  • Als Hauptabstrahlungsrichtung wird diejenige Richtung angesehen, entlang der das Halbleiterbauelement am meisten Strahlung emittiert.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Laserbauelements ist das weitere optische Element dem optischen Element entlang der Abstrahlungsachse nachgeordnet. Das optische Element befindet sich also zwischen dem Halbleiterlaser und dem weiteren optischen Element. Die von dem Laserbauelement emittierte Strahlung durchläuft also vor dem Austritt aus dem Halbleiterlaser zuerst das optische Element und nachfolgend das weitere optische Element. Insbesondere kann die Strahlung zuerst mittels des optischen Elements aufgeweitet und nachfolgend mittels des weiteren optischen Elements, bezogen auf die Abstrahlungsachse des Halbleiterlasers, verkippt werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Laserbauelements bedeckt das weitere optische Element eine Seitenfläche des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers stellenweise. Insbesondere kann das weitere optische Element das optische Element in lateraler Richtung vollständig umschließen. Mit anderen Worten verkapselt das weitere optische Element das optische Element und/oder den Halbleiterlaser. Mittels des weiteren optischen Elements ist so auf einfache Weise gewährleistet, dass sich das optische Element nicht von dem oberflächenemittierenden Halbleiterlaser löst. Bei einem optischen Element, das zumindest unter anderem dafür vorgesehen ist, die Augensicherheit des Laserbauelements zu gewährleisten, ist so eine hohe Augensicherheit einfach erzielbar, insbesondere im Vergleich zu einem Laserbauelement, bei dem ein die Augensicherheit bewerkstelligendes optisches Element dem Laserbauelement nachgeordnet ist und sich somit grundsätzlich von dem Laserbauelement lösen kann.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Laserbauelements bildet das weitere optische Element eine das Laserbauelement in lateraler Richtung begrenzende Seitenfläche. Bei der Herstellung kann ein solches weiteres optisches Element im Verbund mehrerer Laserbauelemente ausgebildet und insbesondere bei der Vereinzelung des Verbunds durchtrennt werden. Bei der Vereinzelung weist das Laserbauelement also bereits das weitere optische Element auf. Ein der Vereinzelung nachgeordneter Schritt zur Anordnung eines weiteren optischen Elements für die Strahlformung, insbesondere für die Störung der Symmetrie der Abstrahlung, ist also nicht erforderlich.
  • Entsprechend kann das weitere optische Element an der Seitenfläche des Laserbauelements Spuren eines Materialabtrags aufweisen. Dieser Materialabtrag entsteht bei der Vereinzelung des Verbunds, in dem sich die Laserbauelemente bei der Herstellung befinden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Laserbauelements grenzt das weitere optische Element unmittelbar an das optische Element an. Insbesondere ist das weitere optische Element an das optische Element angeformt. Das weitere optische Element folgt also auf der dem Halbleiterlaser zugewandten Seite zumindest stellenweise der äußeren Form, also der dem Halbleiterlaser abgewandten Form, des optischen Elements. Insbesondere befindet sich keine Verbindungsschicht wie eine Klebeschicht zwischen dem optischen Element und dem weiteren optischen Element.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Laserbauelements ist das optische Element ein binäres diffraktives optisches Element. Ein binäres diffraktives optisches Element ist beispielsweise mittels eines Ätzverfahrens herstellbar, wobei lediglich eine Ätztiefe erforderlich ist. Ein solches binäres diffraktives optisches Element ist deshalb besonders einfach herstellbar, insbesondere im Vergleich zu mehrstufigen diffraktiven optischen Elementen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Laserbauelements ist eine dem optischen Element abgewandte Strahlungsaustrittsfläche des weiteren optischen Elements zumindest stellenweise durch eine ebene Fläche gebildet, die schräg zur Abstrahlungsachse des Halbleiterlasers verläuft. Das weitere optische Element weist mit anderen Worten zumindest stellenweise die Grundform eines Prismas auf. Ein derartiges optisches Element ist besonders einfach herstellbar und bewirkt eine Verkippung der aus dem optischen Element austretenden Strahlung, sodass die Hauptabstrahlungsrichtung des Laserbauelements und die Abstrahlungsachse des Halbleiterlasers schräg zueinander verlaufen. Die Strahlungsaustrittsfläche des weiteren optischen Elements kann jedoch alternativ oder zusätzlich auch zumindest einen gekrümmten Bereich aufweisen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Laserbauelements ist das weitere optische Element als Fresnel-Optik ausgebildet. Eine Oberfläche einer Fresnel-Optik weist typischerweise eine Mehrzahl von Sprüngen auf, an denen die Oberfläche der Fresnel-Optik nicht stetig differenzierbar ist. An den Sprüngen ändert sich die Steigung der Oberfläche also nicht kontinuierlich. Beispielsweise ist die Fresnel-Optik durch eine Mehrzahl von in lateraler Richtung nebeneinander angeordneten Prismen gebildet, sodass eine Strahlungsaustrittsfläche des weiteren optischen Elements eine Sägezahnstruktur aufweist.
  • Mit dem beschriebenen Laserbauelement können insbesondere die folgenden Effekte erzielt werden.
  • Das weitere optische Element bildet ein in das Laserbauelement integriertes Element, das eine schräg verlaufende Hauptabstrahlungsrichtung des Laserbauelements bildet. Das optische Element selbst kann dagegen die Symmetrie der Abstrahlung des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers oder zumindest die Hauptabstrahlungsrichtung der Strahlung entlang der Abstrahlungsachse beibehalten.
  • Für das optische Element eignet sich daher insbesondere ein binäres diffraktives optisches Element. Die Herstellung des Laserbauelements wird dadurch vereinfacht.
  • Es hat sich gezeigt, dass ein solches binäres diffraktives Element insbesondere in Verbindung mit einem nachgeordneten weiteren optischen Element besonders geeignet ist, obwohl ein binäres diffraktives optisches Element an sich aus Symmetriegründen eine zur Abstrahlungsachse symmetrische Abstrahlung bewirkt.
  • Weiterhin kann mit einem als diffraktives optisches Element ausgebildeten optischen Element eine effiziente Strahlaufweitung, insbesondere in Form von mehreren schräg zueinander verlaufenden Teilstrahlen, mit einer sehr geringen Bauhöhe erzielt werden. Dadurch kann entlang der Abstrahlungsachse eine besonders kompakte Ausgestaltung des Laserbauelements erzielt werden.
  • Für eine Störung der Symmetrie, insbesondere eine Verkippung der Hauptabstrahlungsrichtung relativ zur Abstrahlungsachse, hat sich ein refraktives optisches Element als weiteres optisches Element als besonders geeignet erwiesen.
  • Das Laserbauelement kann also die Vorteile zweier optischer Elemente vereinen, die auf verschiedenen physikalischen Grundprinzipien basieren, nämlich auf Beugung einerseits und Brechung andererseits.
  • Ferner kann das weitere optische Element das optische Element verkapseln, sodass eine besonders hohe Augensicherheit erzielbar ist.
  • Das Laserbauelement eignet sich daher besonders für eine Vorrichtung, bei der die Strahlung des Laserbauelements insbesondere auch im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Vorrichtung, auf das menschliche Auge treffen kann, oder sogar für eine Vorrichtung, bei der das Laserbauelement als Lichtquelle zur Beleuchtung eines Gesichts oder eines Gesichtsteils eines Benutzers der Vorrichtung vorgesehen ist.
  • Beispielsweise weist eine Vorrichtung mit einem solchen Halbleiterlaser eine Anzeigevorrichtung auf, wobei eine Hauptabstrahlungsrichtung des Halbleiterlasers schräg zu einer Haupterstreckungsebene der Anzeigevorrichtung verläuft. Die Haupterstreckungsebene der Anzeigevorrichtung verläuft typischerweise parallel zur Haupterstreckungsebene der Vorrichtung. Beispielsweise ist die Vorrichtung ein handgehaltenes elektronisches Gerät, etwa ein Mobiltelefon oder ein Tablet. Im Betrieb der Vorrichtung kann der Halbleiterlaser beispielsweise das Gesicht des Benutzers zumindest bereichsweise ausleuchten.
  • Der Halbleiterlaser eignet sich insbesondere als Lichtquelle für die Erfassung biometrischer Daten. Beispielsweise kann der Halbleiterlaser als Lichtquelle für die Gesichtserkennung als Sicherheitsmerkmal bei der Zugangskontrolle der Vorrichtung dienen.
  • Der Begriff „Lichtquelle“ stellt keine Einschränkung auf sichtbare elektromagnetische Strahlung dar, sondern umfasst auch Strahlung im infraroten oder ultravioletten Spektralbereich.
  • Es hat sich gezeigt, dass Benutzer bei der Verwendung von mobilen Geräten wie beispielsweise Mobiltelefonen diese oftmals in einem vergleichsweise flachen Winkel zur Horizontalen im Raum halten, sodass senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Vorrichtung abgestrahlte Strahlung nur zu einem vergleichsweise geringen Anteil auf das Gesicht treffen würde. Mittels eines schräg abstrahlenden Laserbauelements kann die Effizienz der Ausleuchtung des Gesichts auf einfache Weise verbessert werden, ohne dass dem Laserbauelement ein optisches Element nachgeordnet werden muss oder das Laserbauelement, insbesondere der aktive Bereich, selbst schräg zur Haupterstreckungsebene der Vorrichtung orientiert sein muss.
  • Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Laserbauelementen angegeben.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Vielzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern mit einer Abstrahlungsachse und einem optischen Element in einem Verbund bereitgestellt. Eine Vielzahl von weiteren optischen Elementen wird zu den Halbleiterlasern des Verbunds zugeordnet, wobei die weiteren optischen Elemente dazu eingerichtet sind, eine bezogen auf die Abstrahlungsachse der Halbleiterlaser asymmetrische Abstrahlung der Strahlung zu bewirken. Der Verbund wird in die Mehrzahl von Laserbauelementen vereinzelt, wobei die Laserbauelemente jeweils einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, ein optisches Element und ein weiteres optisches Element aufweisen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die weiteren optischen Elemente beim Zuordnen zu den Halbleiterlasern durch Aufbringen einer Formmasse auf den Verbund gebildet. Die weiteren optischen Elemente werden also direkt auf dem Verbund ausgebildet und nicht als vorgefertigte Elemente den jeweiligen Halbleiterlasern zugeordnet. Beispielsweise werden die optischen Elemente mittels eines Gießverfahrens ausgebildet.
  • Unter einem Gießverfahren wird allgemein ein Verfahren verstanden, mit dem eine Formmasse gemäß einer vorgegebenen Form ausgestaltet und erforderlichenfalls ausgehärtet werden kann. Insbesondere umfasst der Begriff „Gießverfahren“ Gießen (molding), Folien assistiertes Gießen (film assisted molding), Spritzgießen (injection molding), Spritzpressen (transfer molding) und Formpressen (compression molding).
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens werden die weiteren optischen Elemente zusammenhängend über den Verbund ausgebildet und beim Vereinzeln durchtrennt. Die Formmasse kann sich also durchgängig über mehrere oder auch alle Halbleiterlaser des Verbunds erstrecken.
  • Das Vereinzeln kann beispielsweise mechanisch, etwa mittels Sägens, chemisch, etwa mittels Ätzens, oder mittels kohärenter Strahlung, etwa mit einem Lasertrennverfahren, erfolgen.
  • Das beschriebene Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung eines vorstehend beschriebenen Laserbauelements.
  • Im Zusammenhang mit dem Laserbauelement beschriebene Merkmale können daher auch für das Verfahren herangezogen werden und umgekehrt.
  • Weitere Ausführungsbeispiele und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
  • Es zeigen:
    • 1 ein Ausführungsbeispiel für ein Laserbauelement in schematischer Schnittansicht;
    • 2A ein Ausführungsbeispiel für ein Laserbauelement in schematischer Schnittansicht;
    • 2B eine schematische perspektivische Darstellung einer Draufsicht auf das weitere optische Element gemäß 2A;
    • 3 und 4 jeweils ein Ausführungsbeispiel für ein Laserbauelement in schematischer Schnittansicht;
    • 5 ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung mit einem Laserbauelement; und
    • 6A, 6B und 6C ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung von Laserbauelementen anhand von jeweils in schematischer Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten.
  • Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Die Figuren sind jeweils schematische Darstellungen und daher nicht unbedingt maßstabsgetreu. Vielmehr können vergleichsweise kleine Elemente und insbesondere Schichtdicken zur Verdeutlichung übertrieben groß dargestellt sein.
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Laserbauelements in schematischer Schnittansicht gezeigt.
  • Das Laserbauelement 1 weist einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser 10 auf, welcher dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung entlang einer Abstrahlungsachse 100 zu emittieren. Der Halbleiterlaser 10 weist einen Halbleiterkörper 12 mit einer Halbleiterschichtenfolge auf, wobei die Halbleiterschichtenfolge beispielsweise epitaktisch abgeschieden ist. Insbesondere weist der Halbleiterkörper 12 einen zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich 15 auf. Der aktive Bereich 15 ist zwischen einer ersten Halbleiterschicht 13 und einer zweiten Halbleiterschicht 14 angeordnet, wobei sich die erste Halbleiterschicht und die zweite Halbleiterschicht bezüglich des Leitungstyps zumindest stellenweise voneinander unterscheiden, sodass sich der aktive Bereich in einem pn-Übergang befindet. Die Abstrahlungsachse 100 verläuft senkrecht zum aktiven Bereich 15 und insbesondere auch durch den aktiven Bereich 15 hindurch. Der Halbleiterlaser 10, insbesondere der aktive Bereich 15, ist insbesondere zur Erzeugung von Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich vorgesehen.
  • Entlang der Abstrahlungsachse 100 ist dem Halbleiterlaser 10 ein optisches Element 20 nachgeordnet. Das optische Element 20 weist eine diffraktive Struktur 200 auf. Die diffraktive Struktur 200 umfasst beispielsweise periodisch entlang einer Haupterstreckungsebene des optischen Elements 20 angeordnete Elemente 205, die in zumindest einer Raumrichtung quer zur Abstrahlungsachse 100 eine Größe in der Größenordnung des Wellenlängenbereichs der emittierten elektromagnetischen Strahlung aufweisen. Die Elemente 205 sind beispielsweise als Vertiefungen in einem Ausgangsmaterial des optischen Elements 20, etwa einem Glas, angeordnet. Beispielsweise sind die Elemente 205 mit einem gasförmigen Material befüllt. Die Elemente 205 sind zumindest entlang einer lateralen Richtung, beispielsweise entlang zweier zueinander senkrechter lateraler Richtungen, periodisch angeordnet.
  • Die diffraktive Struktur 200 befindet sich beispielsweise in einem Abstand D von mindestens 20 µm, insbesondere mindestens 25 µm, von einer Strahlungsaustrittsfläche 10a des Halbleiterlasers 10. Die diffraktive Struktur 200 des optischen Elements 20 weitet die von dem Halbleiterlaser 10 abgestrahlte Strahlung durch Aufteilung in verschiedene Teilstrahlen auf. Abhängig von der Größe des auszuleuchtenden Blickfelds 99 kann die diffraktive Struktur 200 hinsichtlich ihrer Periodizität und der Strukturgröße der Elemente 205 in lateraler und/oder vertikaler Richtung so eingestellt werden, dass zusätzlich zur nullten Beugungsordnung der diffraktiven Struktur 200 mindestens die erste Beugungsordnung und gegebenenfalls weitere Beugungsordnungen in einen Winkel zur Abstrahlungsachse 100 abgelenkt werden. In einer Schnittebene entlang der Abstrahlungsachse bleibt die aus dem optischen Element 20 austretende Strahlung jedoch achsensymmetrisch zur Abstrahlungsachse 100.
  • Das Laserbauelement 1 umfasst weiterhin ein weiteres optisches Element 25, das eine bezogen auf die Abstrahlungsachse asymmetrische Abstrahlung der Strahlung bewirkt. Insbesondere verläuft eine Hauptabstrahlungsrichtung 11 des Laserbauelements schräg zur Abstrahlungsachse 100 des Halbleiterlasers 10. Beispielsweise schließen die Abstrahlungsachse und die Hauptabstrahlungsrichtung einen Winkel von mindestens 5°, mindestens 10° oder mindestens 15° ein. Zum Beispiel beträgt der Winkel höchstens 60° oder höchstens 45°.
  • Im einfachsten Fall ist eine Strahlungsaustrittsfläche 250 des weiteren optischen Elements 25 schräg zur Abstrahlungsachse 100 angeordnet, sodass sich eine zur Abstrahlungsachse 100 verkippte Hauptabstrahlungsrichtung 11 ergibt. Mit einem refraktiven optischen Element kann die Symmetrie der Abstrahlung bezogen auf die Abstrahlungsachse auf einfache Weise gezielt gestört werden. Die aus dem weiteren optischen Element austretende Strahlung kann in einem entlang der Hauptabstrahlungsrichtung verlaufenden Schnitt achsensymmetrisch zur Hauptabstrahlugsrichtung sein.
  • Das Laserbauelement 1 weist also zwei in das Laserbauelement integrierte optische Elemente auf, wobei das optische Element 20 eine Strahlungsaufweitung und das weitere optische Element 25 eine Verkippung der Hauptabstrahlungsrichtung bezüglich zur Abstrahlungsachse 100 des Halbleiterlasers bewirken. Das optische Element 20 selbst kann daher so ausgebildet sein, dass es die Symmetrie der Abstrahlung des Halbleiterlasers 10 zumindest entlang einer Schnittebene beibehält. Als optisches Element 20 eignet sich deshalb insbesondere auch ein binäres diffraktives optisches Element, welches aus Symmetriegründen zwangsläufig eine symmetrische Abstrahlung bewirkt.
  • Es hat sich gezeigt, dass sich die Herstellung trotz des weiteren optischen Elements als zusätzliches optisches Element insgesamt vereinfacht, insbesondere im Vergleich zur Verwendung eines mehrstufigen diffraktiven optischen Elements, das selbst eine asymmetrische Abstrahlung bewirken könnte.
  • In vertikaler Richtung, also senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des aktiven Bereichs 15, kann mittels der diffraktiven Struktur eine besonders kompakte Bauform des Laserbauelements 1 erzielt werden. Grundsätzlich kann jedoch auch ein anderes als ein diffraktives optisches Element Anwendung finden, beispielsweise ein optisches Element, das auf dem Prinzip der Brechung basiert.
  • Das weitere optische Element 25 ist an das optische Element 20 angeformt und grenzt unmittelbar an das optische Element an. Das weitere optische Element 25 bedeckt eine Seitenfläche 201 des optischen Elements 20 und eine Seitenfläche 10b des Halbleiterlasers und ist als eine Verkapselung für das optische Element 20 und den Halbleiterlaser 10 ausgebildet. Der Bonddraht 43 verläuft vollständig innerhalb des weiteren optischen Elements 25. Mittels des weiteren optischen Elements 25 ist auf einfache Weise gewährleistet, dass sich das optische Element 20 nicht vom Halbleiterlaser 10 lösen kann. Dadurch kann eine besonders hohe Augensicherheit des Laserbauelements erzielt werden. Das weitere optische Element 25 bildet stellenweise eine das Laserbauelement 1 in lateraler Richtung begrenzende Seitenfläche 18. An der Seitenfläche kann das weitere optische Element Spuren eines Materialabtrags bedingt durch ein Vereinzelungsverfahren bei der Herstellung des Laserbauelements aufweisen.
  • Der Halbleiterlaser 10 weist ein Substrat 19 auf. Das Substrat ist beispielsweise das Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers 12. Das Substrat kann jedoch auch vom Aufwachssubstrat verschieden sein. Der Halbleiterlaser 10 weist weiterhin eine erste Kontaktfläche 41 und eine zweite Kontaktfläche 42 auf. Durch Anlegen einer externen elektrischen Spannung zwischen der ersten Kontaktfläche 41 und der zweiten Kontaktfläche 42 können Ladungsträger von entgegengesetzten Seiten in den aktiven Bereich 15 injiziert werden und dort unter Emission von Strahlung rekombinieren. Die erste Kontaktfläche 41 und die zweite Kontaktfläche 42 sind mit einem Träger 30 elektrisch leitend verbunden. Die erste Kontaktfläche 41 und die zweite Kontaktfläche 42 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats angeordnet. Die auf der dem Träger 30 abgewandten Seite angeordnete zweite Kontaktfläche 42 ist mittels einer Verbindungsleitung, exemplarisch in Form eines Bonddrahts 43 mit dem Träger verbunden.
  • Die zweite Kontaktfläche 42 ist nicht oder zumindest nicht vollständig von dem optischen Element 20 bedeckt, so dass die zweite Kontaktfläche auch bei dem bereits montierten optischen Element 20 für die Herstellung der Verbindungsleitung zugänglich ist.
  • Der Träger 30 ist beispielsweise ein Submount oder eine Leiterplatte. Der Träger 30 und das weitere optische Element 25 schließen in lateraler Richtung bündig ab.
  • Das optische Element 20 ist stoffschlüssig mit dem Halbleiterlaser verbunden. Bei einer stoffschlüssigen Verbindung werden die, bevorzugt vorgefertigten, Verbindungspartner mittels atomarer und/oder molekularer Kräfte zusammengehalten. Eine stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise mittels eines Verbindungsmittels, etwa eines Klebemittels oder eines Lots, erzielt werden. In der Regel geht eine Trennung der Verbindung mit einer Zerstörung des Verbindungsmittels und/oder zumindest eines der Verbindungspartner einher.
  • Das optische Element 20 ist exemplarisch mit einem Verbindungsmittel 50, etwa einem Klebemittel, beispielsweise einem Epoxid oder einem Silikon, befestigt. Alternativ kann auch durch direktes Bonden (engl. „direct bonding“) eine stoffschlüssige Verbindung erzielt werden, etwa durch Wasserstoff-Brückenbindungen und/oder Van-der-Waals-Wechselwirkungen. Ein Verbindungsmittel ist in diesem Fall nicht erforderlich.
  • In lateraler Richtung können das optische Element 20 und der Halbleiterlaser 10 zumindest stellenweise bündig abschließen. Eine Seitenfläche 201 des optischen Elements 20 und eine Seitenfläche 10b des Halbleiterlasers liegen also in einer Ebene. Insbesondere kann das optische Element 20 bei der Herstellung des Laserbauelements 1 an dem Halbleiterlaser 10 befestigt werden, noch bevor der Halbleiterlaser 10 aus seinem ursprünglichen Waferverbund vereinzelt wird. Der ursprüngliche Waferverbund kann insbesondere das Aufwachssubstrat für die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterlasers umfassen.
  • Das optische Element 20, das weitere optische Element 25 und das Verbindungsmittel 50 können denselben oder im Wesentlichen denselben Brechungsindex aufweisen, beispielsweise mit einer Abweichung von höchstens 0,2 oder höchstens 0,1. Rückstreuungen an den Grenzflächen innerhalb des Laserbauelements 1 können so weitestgehend reduziert werden.
  • Das in den 2A und 2B gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
  • Im Unterschied hierzu ist das weitere optische Element 25 als eine Fresnel-Optik 251 ausgebildet. Die Strahlungsaustrittsfläche 250 des weiteren optischen Elements weist eine sägezahnartige Strukturierung mit einer Mehrzahl von prismaförmig ausgebildeten, in lateraler Richtung nebeneinander angeordneten Elementen auf. Mittels einer Fresnel-Optik kann die vertikale Ausdehnung des Laserbauelements weiter reduziert werden.
  • Eine schematische perspektivische Darstellung der Strahlungsaustrittsfläche 250 des weiteren optischen Elements 25 ist in 2B gezeigt. Ein derartiges optisches Element bewirkt eine Verkippung der auftreffenden Strahlung entlang einer Raumrichtung, während die Strahlungsverteilung in einer dazu senkrecht verlaufenden Raumrichtung nicht wesentlich verändert wird.
  • Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
  • Im Unterschied hierzu weist der Halbleiterlaser 10 die erste Kontaktfläche 41 und die zweite Kontaktfläche 42 auf der der Strahlungsaustrittsfläche 10a des Halbleiterlasers abgewandten Seite auf. Der Halbleiterlaser 10 stellt also an seiner Rückseite zwei Kontakte für die elektrische Kontaktierung zur Verfügung.
  • Der mit einer gestrichelten Linie dargestellte Träger 30 ist optional und kann auch weggelassen werden. In diesem Fall sind die erste Kontaktfläche 41 und die zweite Kontaktfläche 42 für eine externe elektrische Kontaktierung des Laserbauelements 1 zugänglich.
  • Weiterhin ist das optische Element 20 im Unterschied zum in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass die diffraktive Struktur 200 innerhalb des optischen Elements angeordnet ist. Die diffraktive Struktur 200 ist mit anderen Worten in vertikaler Richtung gesehen sowohl von einer dem Halbleiterlaser zugewandten Rückseite des optischen Elements als auch einer dem Halbleiterlaser abgewandten Vorderseite des optischen Elements räumlich beabstandet. Die Vorderseite und/oder die Rückseite des optischen Elements 20 können also planar sein. Selbstverständlich eignet sich ein derartiges optisches Element auch für die übrigen Ausführungsbeispiele.
  • In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Laserbauelement gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem in Zusammenhang mit den 2A und 2B beschriebenen Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu ist der aktive Bereich 15 in eine Mehrzahl von Segmenten 151 unterteilt. Insbesondere kann jedem Segment 151 eine eigene zweite Kontaktfläche 42 zugeordnet sein, sodass die Segmente im Betrieb des Halbleiterlasers unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Zur vereinfachten Darstellung ist in 4 lediglich für ein Segment 151 eine zugehörige zweite Kontaktfläche 42 gezeigt.
  • Das optische Element 20 kann sich über zumindest zwei benachbarte Segmente 151 oder auch über alle Segmente des Halbleiterlasers 10 erstrecken. Das weitere optische Element 25 überdeckt in Draufsicht auf das Laserbauelement 1 alle Segmente 151 des aktiven Bereichs 15.
  • In 5 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 9 mit einem vorbeschriebenen Laserbauelement 1 gezeigt. Die Vorrichtung ist beispielsweise ein handgehaltenes mobiles elektronisches Gerät wie ein Mobiltelefon oder ein Tablet.
  • Die Vorrichtung 9 weist eine Anzeigevorrichtung 91 auf. Eine Abstrahlungsachse 100 des Halbleiterlasers 10 verläuft senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene der Anzeigevorrichtung 91 und der Vorrichtung 9. Entsprechend verläuft die Hauptabstrahlungsrichtung 11 schräg zur Abstrahlungsachse 100 und damit schräg zu einer Normalen auf die Anzeigevorrichtung 91. Ein Gesicht 98 eines Benutzers kann sich so vereinfacht im Blickfeld 99 des Laserbauelements 1 befinden, auch wenn der Benutzer das Gerät so hält, dass die Normale zur Anzeigevorrichtung 91 nicht mittig auf das Gesicht zeigt. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Benutzer die Vorrichtung 9 vergleichsweise flach zu einer Horizontalen im Raum hält.
  • Auf diese Weise kann eine zuverlässige Ausleuchtung des Gesichts mittels des Laserbauelements 1 erzielt werden, ohne das dem Laserbauelement ein umlenkendes optisches Element nachgeordnet werden muss oder der aktive Bereich des Laserbauelements 1 schräg zur Anzeigevorrichtung 91 montiert werden muss.
  • Das Laserbauelement 1 eignet sich daher besonders für die Verwendung als Lichtquelle für die Erfassung biometrischer Daten, beispielsweise für eine Gesichtserkennung als Sicherheitsmerkmal für die Zugangskontrolle zur Vorrichtung.
  • Selbstverständlich eignet sich das Laserbauelement jedoch auch für andere Vorrichtungen, etwa Vorrichtungen ohne eine Anzeigevorrichtung und nicht handgehaltene Vorrichtungen, bei denen eine bezogen auf eine Montageebene schräg verlaufende Abstrahlung gewünscht ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung von Laserbauelementen ist in den 6A bis 6C gezeigt, wobei exemplarisch ein Laserbauelement 1 hergestellt wird, wie es in Zusammenhang mit 2 beschrieben ist.
  • Eine Vielzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern 10 mit jeweils einer Abstrahlungsachse 100 und einem optischen Element 20 wird in einem Verbund 110 bereitgestellt. Beispielsweise sind die Halbleiterlaser 10 auf einem gemeinsamen Träger 30 angeordnet.
  • Nachfolgend wird den Halbleiterlasern des Verbunds jeweils ein weiteres optisches Element 25 zugeordnet (6B). Hierfür können die weiteren optischen Elemente 25 durch Aufbringen einer Formmasse 252 gebildet werden. Bei den weiteren optischen Elementen 25 handelt es sich also nicht um vorgefertigte optische Elemente, die nachfolgend an den Halbleiterlasern 10 befestigt werden. Die Formmasse 252 kann weiterhin der Verkapselung der Halbleiterlaser 10 und der optischen Elemente 20 dienen.
  • Abschließend kann, wie in 6C dargestellt, eine Vereinzelung des Verbunds 110 entlang von Trennlinien 7 zwischen benachbarten Halbleiterlasern 20 erfolgen. Hierfür eignet sich beispielsweise ein mechanisches Verfahren, etwa Sägen, ein chemisches Verfahren, etwa Ätzen, oder ein Verfahren mit kohärenter Strahlung, etwa ein Lasertrennverfahren. Beim Vereinzeln entlang der Trennlinie 7 entstehen die Seitenflächen 18 der herzustellenden Laserbauelemente, wobei der Träger 30 und das weitere optische Element 25 eines Halbleiterlasers in lateraler Richtung bündig abschließen.
  • Von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend kann es sich bei dem Träger 30 auch um einen temporären Zwischenträger handeln, der nach dem Ausbilden des weiteren optischen Elements 25 entfernt wird. Dadurch kann ein Laserbauelement 1 hergestellt werden, das an seiner Rückseite zumindest zwei Kontaktflächen für die externe elektrische Kontaktierung bereitstellt (vergleiche 3).
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele 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 den Ausführungsbeispielen angegeben ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Laserbauelement
    10
    Halbleiterlaser
    10a
    Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterlasers
    10b
    Seitenfläche des Halbleiterlasers
    100
    Abstrahlungsachse
    110
    Verbund
    11
    Hauptabstrahlungsrichtung
    12
    Halbleiterkörper
    13
    erste Halbleiterschicht
    14
    zweite Halbleiterschicht
    15
    aktiver Bereich
    151
    Segment
    18
    Seitenfläche
    19
    Substrat
    20
    optisches Element
    200
    Diffraktive Struktur
    201
    Seitenfläche des optischen Elements
    205
    Element
    25
    weiteres optisches Element
    250
    Strahlungsaustrittsfläche
    251
    Fresnel-Optik
    252
    Formmasse
    30
    Träger
    41
    erste Kontaktfläche
    42
    zweite Kontaktfläche
    43
    Bonddraht
    50
    Verbindungsmittel
    7
    Trennlinie
    9
    Vorrichtung
    91
    Anzeigevorrichtung
    98
    Gesicht
    99
    Blickfeld
    D
    Abstand der diffraktiven Struktur zur Strahlungsaustrittsfläche des Halbleiterlasers

Claims (17)

  1. Laserbauelement (1) umfassend - einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (10), welcher dazu eingerichtet ist elektromagnetische Strahlung entlang einer Abstrahlungsachse (100) zu emittieren, - ein optisches Element (20), welches dem Halbleiterlaser (10) entlang der Abstrahlungsachse nachgeordnet ist, wobei das optische Element (20) eine diffraktive Struktur (200) umfasst, und - ein weiteres optisches Element (25), das dazu eingerichtet ist, eine bezogen auf die Abstrahlungsachse asymmetrische Abstrahlung der Strahlung zu bewirken.
  2. Laserbauelement nach Anspruch 1, wobei eine Hauptabstrahlungsrichtung (11) des Laserbauelements schräg zur Abstrahlungsachse des Halbleiterlasers verläuft.
  3. Laserbauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das weitere optische Element dem optischen Element entlang der Abstrahlungsachse nachgeordnet ist.
  4. Laserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das weitere optische Element eine Seitenfläche (10b) des oberflächenemittierenden Halbleiterlasers stellenweise bedeckt.
  5. Laserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das weitere optische Element eine das Laserbauelement in lateraler Richtung begrenzende Seitenfläche (18) bildet.
  6. Laserbauelement nach Anspruch 5, wobei das weitere optische Element an der Seitenfläche des Laserbauelements Spuren eines Materialabtrags aufweist.
  7. Laserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das weitere optische Element unmittelbar an das optische Element angrenzt.
  8. Laserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das optische Element ein binäres diffraktives optisches Element ist.
  9. Laserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine dem optischen Element abgewandte Strahlungsaustrittsfläche (250) des weiteren optischen Elements zumindest stellenweise durch eine ebene Fläche gebildet ist, die schräg zur Abstrahlungsachse des Halbleiterlasers verläuft.
  10. Laserbauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das weitere optische Element als Fresnel-Optik (251) ausgebildet ist.
  11. Vorrichtung mit einem Halbleiterlaser nach einem der vorherigen Ansprüche.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Vorrichtung eine Anzeigevorrichtung (91) aufweist und eine Hauptabstrahlungsrichtung des Halbleiterlasers schräg zu einer Haupterstreckungsebene der Anzeigevorrichtung verläuft.
  13. Verwendung des Halbleiterlasers nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Lichtquelle für die Erfassung biometrischer Daten.
  14. Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Laserbauelementen (1), mit den folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellen einer Vielzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern (10) mit einer Abstrahlungsachse und einem optischen Element in einem Verbund (110); b) Zuordnen einer Vielzahl von weiteren optischen Elementen (25) zu den Halbleiterlasern des Verbunds, wobei die weiteren optischen Elemente dazu eingerichtet sind, eine bezogen auf die Abstrahlungsachse der Halbleiterlaser asymmetrische Abstrahlung der Strahlung zu bewirken; und d) Vereinzeln des Verbunds in die Mehrzahl von Laserbauelementen, wobei die Laserbauelemente jeweils einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, ein optisches Element und ein weiteres optisches Element aufweisen.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die weiteren optischen Elemente in Schritt b) durch Aufbringen einer Formmasse (252) auf den Verbund gebildet werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die weiteren optischen Elemente zusammenhängend über den Verbund ausgebildet und beim Vereinzeln durchtrennt werden.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei ein Laserbauelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt wird.
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