DE102022105668A1 - LASER ARRANGEMENT, OPTOELECTRONIC SYSTEM AND METHOD FOR PRODUCING A LASER ARRANGEMENT - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Laseranordnung (10) angegeben. Die Laseranordnung weist eine elektrisch kontaktierbare erste Wellenleiterschicht (30) auf, die einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, ferner eine zweite Wellenleiterschicht (40), die einen zweiten, dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, ferner eine aktive Schicht (50) zur Generierung elektromagnetischer Strahlung durch Ladungsträgerrekombination, wobei die aktive Schicht zwischen der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet ist. Die Laseranordnung weist ferner zueinander periodisch angeordnete Zonen (60) auf, die in der ersten Wellenleiterschicht oder in der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet sind, wobei die Zonen einen Brechungsindex aufweisen, der sich von einem Brechungsindex der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterscheidet und mit dieser Wellenleiterschicht einen zweidimensionalen photonischen Kristall bilden. Eine Periodizität der Zonenanordnung wird von zumindest einem Zwischenbereich (70) der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterbrochen. Weiterhin werden ein Verfahren zur Herstellung einer Laseranordnung und ein optoelektronisches System (300) angegeben.A laser arrangement (10) is specified. The laser arrangement has an electrically contactable first waveguide layer (30) which has a first conductivity type, furthermore a second waveguide layer (40) which has a second conductivity type which is opposite to the first conductivity type, and furthermore an active layer (50) for generating electromagnetic radiation Charge carrier recombination, wherein the active layer is arranged between the first waveguide layer and the second waveguide layer. The laser arrangement further has zones (60) which are arranged periodically relative to one another and which are arranged in the first waveguide layer or in the second waveguide layer, the zones having a refractive index which differs from a refractive index of the waveguide layer embedding the zones and, with this waveguide layer, a two-dimensional one form photonic crystal. A periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least one intermediate region (70) of the waveguide layer embedding the zones. Furthermore, a method for producing a laser arrangement and an optoelectronic system (300) are specified.
Description
Strukturen, die durch die periodische Modulation des Brechungsindexes des verwendeten Mediums gebildet werden, werden als photonische Kristalle (engl.: „photonic crystal“) bezeichnet. Ein oberflächenemittierender Photonischer-Kristall-Laser (engl.: „Photonic Crystal Surface Emitting Laser“, PCSEL), im Folgenden bisweilen kurz Laser, Laseranordnung oder PCSEL genannt, weist eine aktive Schicht auf, die unter Anlegen eines Treiberstroms elektromagnetische Strahlung emittiert. Auf beiden Seiten der aktiven Schicht können dotierte Schichten, insbesondere Wellenleiterschichten, angeordnet sein, wobei der photonische Kristall in einer dieser Wellenleiterschichten geformt wird. Beispielsweise wird der photonische Kristall durch Trockenätzung in die entsprechende Wellenleiterschicht geformt, so dass die daraus resultierenden Gräben oder Hohlräume in der Wellenleiterschicht Zonen bilden, deren Brechungsindex sich von dem Brechungsindex der übrigen Wellenleiterschicht unterscheidet. Die Strukturierung der Wellenleiterschicht kann Ätzschäden, insbesondere Kristallschäden in der Wellenleiterschicht, hervorrufen. Da die Wellenleiterschichten auch dazu dienen, elektrische Ladungsträger zur aktiven Schicht zu transportieren, können die Ätzschäden zu hohen elektrischen Widerständen führen, was mit inhomogener Stromeinprägung und damit mit einer Reduzierung der Strahlqualität einhergehen kann.Structures that are formed by the periodic modulation of the refractive index of the medium used are called photonic crystals. A surface-emitting photonic crystal laser (Photonic Crystal Surface Emitting Laser, PCSEL), hereinafter sometimes referred to as a laser, laser array or PCSEL, has an active layer that emits electromagnetic radiation when a drive current is applied. Doped layers, in particular waveguide layers, can be arranged on both sides of the active layer, with the photonic crystal being formed in one of these waveguide layers. For example, the photonic crystal is formed into the corresponding waveguide layer by dry etching, so that the resulting trenches or cavities in the waveguide layer form zones whose refractive index differs from the refractive index of the remaining waveguide layer. The structuring of the waveguide layer can cause etching damage, especially crystal damage in the waveguide layer. Since the waveguide layers also serve to transport electrical charge carriers to the active layer, the etching damage can lead to high electrical resistances, which can be accompanied by inhomogeneous current injection and thus a reduction in beam quality.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, eine Laseranordnung mit hoher Strahlqualität anzugeben. At least one object of certain embodiments is to provide a laser arrangement with high beam quality.
Eine weitere Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein optoelektronisches System anzugeben, das eine solche Laseranordnung aufweist. Außerdem ist es eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Laseranordnung anzugeben.A further object of certain embodiments is to specify an optoelectronic system that has such a laser arrangement. It is also an object of certain embodiments to provide a method for producing such a laser arrangement.
Diese Aufgaben werden durch Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.These tasks are solved by subject matter according to the independent patent claims. Advantageous embodiments and further developments of the objects are characterized in the dependent claims and can also be seen from the following description and the drawings.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine Laseranordnung eine elektrisch kontaktierbare erste Wellenleiterschicht auf, die einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist.According to at least one embodiment, a laser arrangement has an electrically contactable first waveguide layer which has a first conductivity type.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laseranordnung weiterhin eine zweite Wellenleiterschicht auf, die einen zweiten, dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist.According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a second waveguide layer which has a second conductivity type that is opposite to the first conductivity type.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laseranordnung weiterhin eine aktive Schicht zur Generierung elektromagnetischer Strahlung durch Ladungsträgerrekombination auf, wobei die aktive Schicht zwischen der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet ist.According to at least one embodiment, the laser arrangement further has an active layer for generating electromagnetic radiation through charge carrier recombination, the active layer being arranged between the first waveguide layer and the second waveguide layer.
Elektromagnetischer Strahlung kann im Folgenden „Strahlung“ oder „Licht“ genannt werden. Strahlung oder Licht kann insbesondere elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen bezeichnen. Die aktive Schicht weist eine erste Hauptfläche, auf der die erste Wellenleiterschicht angeordnet ist und eine der ersten Hauptfläche gegenüberliegende zweite Hauptfläche, auf der die zweite Wellenleiterschicht angeordnet ist, auf. Die aktive Schicht besitzt eine Haupterstreckungsebene, die in lateralen Richtungen verläuft. Die erste und die zweite Hauptfläche verlaufen parallel zu den lateralen Richtungen. In einer zu den lateralen Richtungen senkrecht stehenden transversalen Richtung weist die aktive Schicht eine Dicke auf. Die von der aktiven Schicht generierte elektromagnetische Strahlung wird in der ersten und der zweiten Wellenleiterschicht geführt. Die erste und die zweite Wellenleiterschicht bilden einen Wellenleiter, in dem die aktive Schicht eingebettet ist. Eine optische Welle wird im Wellenleiter in einer lateralen Richtung geführt.Electromagnetic radiation can hereinafter be called “radiation” or “light”. Radiation or light can in particular refer to electromagnetic radiation with one or more wavelengths or wavelength ranges. The active layer has a first main surface on which the first waveguide layer is arranged and a second main surface opposite the first main surface and on which the second waveguide layer is arranged. The active layer has a main plane of extent that runs in lateral directions. The first and second major surfaces are parallel to the lateral directions. The active layer has a thickness in a transverse direction perpendicular to the lateral directions. The electromagnetic radiation generated by the active layer is guided in the first and second waveguide layers. The first and second waveguide layers form a waveguide in which the active layer is embedded. An optical wave is guided in a lateral direction in the waveguide.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bildet die aktive Schicht zumindest einen Quantentopf, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, unter Anlegen eines Treiberstroms elektromagnetische Strahlung einer vorbestimmten Wellenlänge zu emittieren. Dazu umfasst die aktive Schicht bevorzugt zumindest einen Quantentopf in Form eines 2D-Quantentopfs (Quantentrog, engl.: „quantum well“) oder 1D-Quantentopfs (Quantendraht, engl.: „quantum wire) oder 0D-Quantentopfs (Quantenpunkt, engl.: „quantum dot“). Beispielsweise umfasst die aktive Schicht eine Mehrzahl von in transversaler Richtung übereinander angeordneten 2D-Quantentöpfen, die jeweils durch eine Barriereschicht getrennt sind. Das kann bedeuten, dass die aktive Schicht eine Mehrzahl von Schichten umfassen kann, die mindestens einen Quantentopf bilden. Ein 2D-Quantentopf kann durch eine dünne Zwischenschicht eines ersten Materials, z.B. etwa 4-5 nm dick, gebildet werden, die von Barriereschichten eines zweiten Materials, z.B. etwa 3-10 nm dick, umgeben ist. Die Barriere-Schichten weisen eine größere Bandlücke als die Zwischenschicht auf. Dies erzeugt ein Potenzialgefälle im Leitungs- und Valenzband zwischen den beiden Materialgruppen, wobei ein Potential-Minimum in der Zwischenschicht gebildet wird. Aufgrund der Quantisierung des Systems können Ladungsträger in der Zwischenschicht nur diskrete Energiewerte annehmen. In einer Ausführungsform bildet die aktive Schicht mindestens einen Quantentopf und höchstens hundert Quantentöpfe. Bevorzugt bildet die aktive Schicht zwischen einschließlich zwei und einschließlich zehn Quantentöpfe. Die aktive Schicht kann auch als „multi quantum well“, MQW, bezeichnet werden. Eine in Wachstumsrichtung (transversale Richtung) erste und eine letzte Schicht des von der aktiven Schicht gebildeten Schichtstapels können dazu vorgesehen und ausgebildet sein, Ladungsträger in der aktiven Schicht einzuschließen, d.h. daran zu hindern, die aktive Schicht zu verlassen (engl.: „confinement“). Das bedeutet, dass die erste und die letzte Schicht als Elektronenbarrieren mit größerer Bandlücke ausgeführt sein können.According to at least one embodiment, the active layer forms at least one quantum well, which is intended and designed to emit electromagnetic radiation of a predetermined wavelength when a drive current is applied. For this purpose, the active layer preferably comprises at least one quantum well in the form of a 2D quantum well (quantum well) or 1D quantum well (quantum wire) or 0D quantum well (quantum dot). “quantum dot”). For example, the active layer comprises a plurality of 2D quantum wells arranged one above the other in the transverse direction, each of which is separated by a barrier layer. This can mean that the active layer can comprise a plurality of layers that form at least one quantum well. A 2D quantum well can be formed by a thin intermediate layer of a first material, eg about 4-5 nm thick, which is surrounded by barrier layers of a second material, eg about 3-10 nm thick. The barrier layers have a larger band gap than the intermediate layer. This creates a potential gradient in the conduction and valence band between the two material groups, with a potential minimum in the intermediate layer is formed. Due to the quantization of the system, charge carriers in the intermediate layer can only assume discrete energy values. In one embodiment, the active layer forms at least one quantum well and at most one hundred quantum wells. The active layer preferably forms between two and ten quantum wells. The active layer can also be referred to as a “multi quantum well”, MQW. A first and a last layer in the growth direction (transversal direction) of the layer stack formed by the active layer can be intended and designed to enclose charge carriers in the active layer, ie to prevent them from leaving the active layer (English: “confinement”). ). This means that the first and last layers can be designed as electron barriers with a larger band gap.
Die aktive Schicht, die erste und die zweite Wellenleiterschicht können bevorzugt ein Halbleitermaterial umfassen. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich bevorzugt um ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wie AlnIn1-n-mGamN, wobei 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 und m + n ≤ 1 ist. Dabei kann die entsprechende halbleitende Schicht Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Zum Beispiel umfasst die erste Wellenleiterschicht zumindest eine n-GaN Schicht. Beispielweise umfasst die zweite Wellenleiterschicht zumindest eine p-GaN Schicht. Hierbei bezeichnen „n“ bzw. „p“ den Leitfähigkeitstyp der entsprechenden Schicht. Die erste Wellenleiterschicht, die zweite Wellenleiterschicht und die aktive Schicht können mehrere Schichten umfassen oder aus diesen bestehen. Nahe der aktiven Schicht werden bevorzugt Materialien wie InGaN (mit teilweise unterschiedlichen In-Gehalten) oder GaN verwendet. Auf der der aktiven Schicht abgewandten Seite können die Wellenleiterschichten Mantelschichten umfassen. Die Mantelschichten können ein oder mehrere AlGaN Schichten aufweisen oder aus diesen bestehen.The active layer, the first and the second waveguide layers may preferably comprise a semiconductor material. The semiconductor material is, for example, a III-V compound semiconductor material. The semiconductor material is preferably a nitride compound semiconductor material, such as Al n In 1-nm Ga m N, where 0 ≤ n ≤ 1, 0 ≤ m ≤ 1 and m + n ≤ 1. The corresponding semiconducting layer can have dopants and additional components. For example, the first waveguide layer includes at least one n-GaN layer. For example, the second waveguide layer comprises at least one p-GaN layer. Here “n” and “p” denote the conductivity type of the corresponding layer. The first waveguide layer, the second waveguide layer and the active layer may comprise or consist of multiple layers. Materials such as InGaN (with sometimes different In contents) or GaN are preferably used near the active layer. On the side facing away from the active layer, the waveguide layers can comprise cladding layers. The cladding layers can have or consist of one or more AlGaN layers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laseranordnung weiterhin zueinander periodisch angeordnete Zonen auf, die in der ersten Wellenleiterschicht oder in der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet sind. Die Zonen weisen einen Brechungsindex auf, der sich von einem Brechungsindex der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterscheidet. Die Zonen bilden mit dieser Wellenleiterschicht einen zweidimensionalen photonischen Kristall. Der photonische Kristall ist dazu ausgebildet, die von der aktiven Schicht generierte elektromagnetische Strahlung zu beeinflussen. Insbesondere streut der photonische Kristall die Strahlung in die transversale Richtung.According to at least one embodiment, the laser arrangement further has zones which are arranged periodically relative to one another and which are arranged in the first waveguide layer or in the second waveguide layer. The zones have a refractive index that differs from a refractive index of the waveguide layer embedding the zones. The zones form a two-dimensional photonic crystal with this waveguide layer. The photonic crystal is designed to influence the electromagnetic radiation generated by the active layer. In particular, the photonic crystal scatters the radiation in the transverse direction.
Die Zonen können ein Gas, z.B. Luft, oder ein Material, z.B. ein Oxid, aufweisen. Insbesondere können die Zonen durch Ausnehmungen in der jeweiligen Wellenleiterschicht definiert sein, wobei die Ausnehmungen durch Ätzung in die Wellenleiterschicht geformt wurden. Mit anderen Worten können die Zonen Ätzgräben in der Wellenleiterschicht sein, wobei die Gräben mit einem Material aufgefüllt sein können. Insbesondere können die Zonen einen deutlich geringeren Brechungsindex als das entsprechend verwendete Material der Wellenleiterschicht aufweisen. Die Zonen sind zueinander regelmäßig angeordnet. Das kann bedeuten, dass die Zonen matrixförmig angeordnet sind oder sich - in einer Aufsicht - auf Schnittpunkten eines Gitters befinden. Hierbei kann es sich um ein schiefwinkliges, rechtwinkliges, zentriertrechteckiges, hexagonales oder quadratisches Gitter handeln. Eine Gitterperiode kann so gewählt werden, dass sie mit einer Wellenlänge der von der aktiven Schicht generierten Strahlung im Wesentlichen übereinstimmt, oder mit einem Bruchteil, z.B. 1/4 oder 1/2, dieser Wellenlänge, oder einem Vielfachen dieser Wellenlänge im Wesentlichen übereinstimmt. Auf diese Weise ist die Bragg-Bedingung erfüllt, um eine 2D-Rückkopplung in der Ebene des photonischen Kristalls und eine Lichtemission senkrecht dazu zu erreichen. Hierbei wird die Gitterperiode von den periodisch angeordneten Zonen definiert. In der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht ist die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung abhängig von einem effektiven Brechungsindex, wobei
Elektromagnetische Strahlung, die sich durch den photonischen Kristall bewegt, wird an den Grenzflächen der Zonen, d.h. allgemein an Ungleichförmigkeiten, gestreut. Gestreute Wellen der elektromagnetischen Strahlung können miteinander und mit der ursprünglichen Welle konstruktiv oder destruktiv interferieren. Da diese Ungleichförmigkeiten, d.h. die Zonen, periodisch verteilt sind, kann möglicherweise vollständige destruktive Interferenz oder die Bildung von kohärenter Strahlung erreicht werden. Elektromagnetische Strahlung kann sich abhängig von ihrer Frequenz und der Gitterperiodizität des photonischen Kristalls nur in bestimmte Richtungen des Gitters ausbreiten und wird reflektiert, wenn sie in sogenannte verbotene Richtungen gelenkt wird. Hierbei kann es zur Bildung einer stehenden Welle kommen, wobei die Strahlung wiederholt an verschiedenen Ungleichförmigkeiten gestreut wird und konstruktiv in sich selbst interferiert. Die stehende Welle wird durch mehrere Bragg-Beugungen gebildet.Electromagnetic radiation moving through the photonic crystal is scattered at the interfaces of the zones, ie generally at non-uniformities. Scattered waves of electromagnetic radiation can interfere constructively or destructively with each other and with the original wave. Since this unequal form areas, ie the zones, are periodically distributed, complete destructive interference or the formation of coherent radiation can potentially be achieved. Depending on its frequency and the lattice periodicity of the photonic crystal, electromagnetic radiation can only propagate in certain directions of the lattice and is reflected when it is directed in so-called forbidden directions. This can result in the formation of a standing wave, whereby the radiation is repeatedly scattered at various non-uniformities and constructively interferes with itself. The standing wave is formed by multiple Bragg diffractions.
Photonische Kristalle, insbesondere zweidimensionale photonische Kristalle, können vorteilhaft bei Laseranordnungen zum Einsatz kommen, wodurch ein sogenannter oberflächenemittierender Photonischer-Kristall-Laser, PCSEL, gebildet werden kann. Die stimulierte Lichtemission wird durch Kopplung der Moden des photonischen Kristalls mit der aktiven Schicht des Lasers erreicht. Hierbei kommt es zu dem oben beschriebenen Rückkopplungseffekt innerhalb der Kristallebene. Durch Bragg-Beugung erster Ordnung wird kohärente Strahlung auch senkrecht zur Kristalloberfläche emittiert. Es ist auch möglich, dass kohärente Strahlung in einem zur Kristalloberfläche vom 90°- Winkel verschiedenen Winkel emittiert wird. Die emittierte Strahlung kann sich vor allem durch ihre Monomodigkeit, ihr enges Abstrahlprofil und ihre hohe Ausgangsleistung über eine große Abstrahlfläche auszeichnen.Photonic crystals, in particular two-dimensional photonic crystals, can be advantageously used in laser arrangements, whereby a so-called surface-emitting photonic crystal laser, PCSEL, can be formed. The stimulated light emission is achieved by coupling the modes of the photonic crystal with the active layer of the laser. This leads to the feedback effect described above within the crystal plane. Through first-order Bragg diffraction, coherent radiation is also emitted perpendicular to the crystal surface. It is also possible for coherent radiation to be emitted at an angle other than 90° to the crystal surface. The emitted radiation can be characterized above all by its monomode, its narrow radiation profile and its high output power over a large radiation area.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Laseranordnung wird eine Periodizität der Zonenanordnung von zumindest einem Zwischenbereich der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterbrochen. Die Laseranordnung weist zumindest einen Zwischenbereich in der jeweiligen Wellenleiterschicht auf, sie kann aber auch eine Vielzahl von Zwischenbereichen umfassen. In dem zumindest einem Zwischenberiech sind keine Zonen angeordnet, d.h. er ist frei von Zonen. Das kann bedeuten, dass in dem Zwischenbereich keine Grabenätzung durchgeführt worden ist. In lateralen Richtungen kann der zumindest eine Zwischenbereich bevorzugt breiter als ein Abstand zwischen zwei benachbarten Zonen innerhalb der periodischen Zonenanordnung sein. Mit anderen Worten wird im Zwischenbereich der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht die Anordnung der Zonen ausgesetzt, so dass zumindest dieser Zwischenbereich eine intakte Kristallstruktur aufweist. Die elektrische Leitfähigkeit der jeweiligen Wellenleiterschicht kann somit verbessert werden. Der Zwischenbereich beeinflusst die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls nur wenig. Der Zwischenbereich kann also als defektfreie Treiberstrom-Zuleitung zur aktiven Schicht dienen. Mit anderen Worten formt der zumindest eine Zwischenbereich eine Insel innerhalb der phonischen Kristallstruktur, über die der Treiberstrom verlustfrei zur aktiven Schicht geführt werden kann.According to at least one embodiment of the laser arrangement, a periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least one intermediate region of the waveguide layer embedding the zones. The laser arrangement has at least one intermediate region in the respective waveguide layer, but it can also include a large number of intermediate regions. There are no zones arranged in the at least one intermediate area, i.e. it is free of zones. This may mean that no trench etching has been carried out in the intermediate area. In lateral directions, the at least one intermediate region can preferably be wider than a distance between two adjacent zones within the periodic zone arrangement. In other words, the arrangement of the zones is exposed in the intermediate region of the waveguide layer embedding the zones, so that at least this intermediate region has an intact crystal structure. The electrical conductivity of the respective waveguide layer can thus be improved. The intermediate region only slightly influences the optical properties of the photonic crystal. The intermediate region can therefore serve as a defect-free driver current supply line to the active layer. In other words, the at least one intermediate region forms an island within the phonic crystal structure, via which the drive current can be routed to the active layer without loss.
Die Laseranordnung zeichnet sich somit insbesondere dadurch aus, dass an geeigneten Stellen die Strukturierung des photonischen Kristalls ausgesetzt ist, um defektfreie Stromzuleitungen zu ermöglichen. Auf diese Weise kann die Stromeinprägung wesentlich homogener erfolgen und damit die Strahlqualität verbessert werden.The laser arrangement is therefore characterized in particular by the fact that the structuring of the photonic crystal is suspended at suitable locations in order to enable defect-free power supply lines. In this way, the current can be impressed much more homogeneously and the beam quality can therefore be improved.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist eine Laseranordnung folgende Merkmale auf: eine elektrisch kontaktierbare erste Wellenleiterschicht auf, die einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, eine zweite Wellenleiterschicht, die einen zweiten, dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, eine aktive Schicht zur Generierung elektromagnetischer Strahlung durch Ladungsträgerrekombination, wobei die aktive Schicht zwischen der ersten Wellenleiterschicht und der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet ist, und zueinander periodisch angeordnete Zonen, die in der ersten Wellenleiterschicht oder in der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet sind, wobei die Zonen einen Brechungsindex aufweisen, der sich von einem Brechungsindex der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterscheidet und mit dieser Wellenleiterschicht einen zweidimensionalen photonischen Kristall bilden. Eine Periodizität der Zonenanordnung wird von zumindest einem Zwischenbereich der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterbrochen.According to at least one embodiment, a laser arrangement has the following features: an electrically contactable first waveguide layer which has a first conductivity type, a second waveguide layer which has a second conductivity type which is opposite to the first conductivity type, an active layer for generating electromagnetic radiation through charge carrier recombination, wherein the active layer is arranged between the first waveguide layer and the second waveguide layer, and mutually periodically arranged zones which are arranged in the first waveguide layer or in the second waveguide layer, the zones having a refractive index that differs from a refractive index of the waveguide layer embedding the zones differentiates and forms a two-dimensional photonic crystal with this waveguide layer. A periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least one intermediate region of the waveguide layer embedding the zones.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist, in lateraler Richtung, der zumindest eine Zwischenbereich breiter als ein Abstand zwischen zwei benachbarten Zonen innerhalb der periodischen Zonenanordnung. Das kann bedeuten, dass der Zwischenbereich breiter ist als eine Gitterperiode des photonischen Kristalls außerhalb des Zwischenbereichs. Beispielsweise ist der Zwischenbereich mindestens 1,1mal oder mindestens 1,5mal oder mindestens 2,0mal so breit wie der Abstand zwischen zwei benachbarten Zonen innerhalb der periodischen Zonenanordnung. Bei einer Ätzung in die jeweilige Wellenleiterschicht, bei der die Zonen definiert werden, kann möglicherweise ein Bereich um die Ätzung kristallgeschädigt werden. Es kann zum Beispiel sein, dass Bereiche der Wellenleiterschicht, die bis zu 50nm vom Ätzgraben in transversaler Richtung und/oder lateralen Richtungen entfernt sind, durch die Ätzung Kristallschäden erleiden. Wie oben erwähnt führen solche Kristallschäden zu einer verschlechterten elektrischen Leitfähigkeit. Da in einem photonischen Kristall die Zonen dicht aneinander angeordnet, insbesondere näher als 100nm voneinander entfernt sein können, kann ein Treiberstrom die aktive Schicht nur eingeschränkt über die entsprechende Wellenleiterschicht erreichen. Mithilfe des zumindest einen Zwischenbereichs, der aufgrund der erhöhten Breite über eine defektfreie Kristallstruktur verfügt, kann eine homogene Stromeinprägung zur aktiven Schicht erreicht werden.According to at least one embodiment, in the lateral direction, the at least one intermediate region is wider than a distance between two adjacent zones within the periodic zone arrangement. This may mean that the intermediate region is wider than a lattice period of the photonic crystal outside the intermediate region. For example, the intermediate region is at least 1.1 times or at least 1.5 times or at least 2.0 times as wide as the distance between two adjacent zones within the periodic zone arrangement. When etching into the respective waveguide layer in which the zones are defined, an area around the etching may potentially be damaged by the crystal. For example, it may be that areas of the waveguide layer that are up to 50 nm away from the etching trench in the transverse direction and/or lateral directions suffer crystal damage as a result of the etching. As mentioned above, such crystal damage leads to impaired electrical conductivity. Since the zones in a photonic crystal can be arranged close to one another, in particular closer than 100 nm apart, a drive current the active layer can only be reached to a limited extent via the corresponding waveguide layer. With the help of the at least one intermediate region, which has a defect-free crystal structure due to the increased width, a homogeneous current injection to the active layer can be achieved.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Zonen durch Gräben oder Hohlräume in der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht definiert. Werden die Zonen durch Gräben definiert, erstrecken sich diese Gräben von einer der aktiven Schicht abgewandten Oberfläche der jeweiligen Wellenleiterschicht bis in diese Wellenleiterschicht hinein. Gemäß einer Ausführungsform liegt ein Durchmesser der Gräben im Nanometer-Bereich. Beispielsweise besitzen die Gräben einen Durchmesser von wenigstens 5 nm und höchstens 1000 nm. Bevorzugt besitzen die Gräben einen Durchmesser von wenigstens 10 nm und höchstens 50 nm. Die Gräben können auch als Löcher oder Nano-Löcher bezeichnet werden, und umgekehrt. Die Form der Gräben kann zylindrisch sein, d.h. in der Aufsicht können die Gräben ein kreisförmiges oder elliptisches Profil haben. Es ist aber auch möglich, dass die Gräben ein anderes Profil, z.B. polygonales, insbesondere drei- oder viereckiges, Profil aufweisen. Es kann ferner sein, dass wenigstens zwei Gräben unterschiedliche Profile aufweisen. Das Profil der Gräben wirkt sich auf ein Modenprofil des photonischen Kristalls aus. Beispielsweise können bestimmte Symmetrien zu sog. Leckmoden oder Nicht-Leckmoden (engl.: „leaky modes“ bzw. „non-leaky modes“) führen, und damit die Abstrahleffizienz der Laseranordnung beeinflussen. In der transversalen Richtung enden die Gräben in der jeweiligen Wellenleiterschicht. Das bedeutet, dass sich ein Grabenfuß in der Wellenleiterschicht befindet und der Grabenfuß von der aktiven Schicht beabstandet ist. Die Gräben können unterschiedlich tief sein. In transversaler Richtung (d.h. in Aufwachsrichtung) kann eine Tiefe der Gräben 10-90%, 50-90% oder 70-90% der Dicke der Wellenschicht entsprechen, z.B. 80% der Dicke der Wellenschicht entsprechen. In anderen Worten können die Gräben die Wellenleiterschicht bis zu 90% durchdringen. Das kann insbesondere bedeuten, dass ein Überlapp der optischen Welle mit den Gräben groß sein kann. Durch die Gräben kann ein photonischer Kristall effizient gebildet werden. Insbesondere ist kein Überwachsen (engl.: „Regrowth“) nötig. Werden die Zonen durch Hohlräume der jeweiligen Wellenleiterschicht geformt, sind sie vollständig in dieser Wellenleiterschicht eingebettet. Das kann insbesondere bedeuten, dass sich die Zonen nicht bis zur Oberfläche der Wellenleiterschicht erstrecken, sondern von dieser bedeckt sind. Eine solche Anordnung kann beispielsweise mittels Regrowth-Verfahren hergestellt werden. Hier werden nach der Ätzung der Gräben diese durch ein anschließendes Epitaxieverfahren bedeckt und verschlossen.According to at least one embodiment, the zones are defined by trenches or cavities in the waveguide layer embedding the zones. If the zones are defined by trenches, these trenches extend from a surface of the respective waveguide layer facing away from the active layer into this waveguide layer. According to one embodiment, the diameter of the trenches is in the nanometer range. For example, the trenches have a diameter of at least 5 nm and at most 1000 nm. The trenches preferably have a diameter of at least 10 nm and at most 50 nm. The trenches can also be referred to as holes or nano-holes, and vice versa. The shape of the trenches can be cylindrical, i.e. when viewed from above, the trenches can have a circular or elliptical profile. However, it is also possible for the trenches to have a different profile, for example a polygonal, in particular triangular or square, profile. It may also be the case that at least two trenches have different profiles. The profile of the trenches affects a mode profile of the photonic crystal. For example, certain symmetries can lead to so-called leaky modes or non-leaky modes and thus influence the radiation efficiency of the laser arrangement. In the transverse direction, the trenches end in the respective waveguide layer. This means that there is a trench foot in the waveguide layer and the trench foot is spaced from the active layer. The trenches can be of different depths. In the transverse direction (i.e. in the growth direction) a depth of the trenches can correspond to 10-90%, 50-90% or 70-90% of the thickness of the wave layer, for example correspond to 80% of the thickness of the wave layer. In other words, the trenches can penetrate up to 90% of the waveguide layer. This can mean in particular that an overlap of the optical wave with the trenches can be large. The trenches allow a photonic crystal to be formed efficiently. In particular, no overgrowth is necessary. If the zones are formed by cavities in the respective waveguide layer, they are completely embedded in this waveguide layer. This can mean in particular that the zones do not extend to the surface of the waveguide layer, but are covered by it. Such an arrangement can be produced, for example, using the regrowth process. Here, after the trenches have been etched, they are covered and sealed using a subsequent epitaxy process.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste elektrische Leitfähigkeitstyp der n-Typ. Das bedeutet, dass der zweite elektrische Leitfähigkeitstyp der p-Typ ist. Die Zuordnung der Leitfähigkeitstypen kann aber auch umgekehrt sein.According to at least one embodiment, the first electrical conductivity type is n-type. This means that the second electrical conductivity type is p-type. However, the assignment of conductivity types can also be reversed.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Zonen in der ersten Wellenleiterschicht angeordnet.According to at least one embodiment, the zones are arranged in the first waveguide layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Zonen in der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet. Das Ätzen von n-GaN Schichten kann viele Defekte erzeugen, weshalb die Realisierung der Zonen in der p-dotierten Wellenleiterschicht bevorzugt sein kann.According to at least one embodiment, the zones are arranged in the second waveguide layer. Etching n-GaN layers can produce many defects, which is why the realization of the zones in the p-doped waveguide layer may be preferred.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laseranordnung ferner eine Akkumulationsschicht auf, die zwischen der aktiven Schicht und der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet ist. Gemäß einer Ausführungsform ist die Akkumulationsschicht so ausgelegt, dass sie in lateralen Richtungen eine Akkumulation von elektrisch positiven Ladungsträgern bereitstellt. Die Akkumulationsschicht kann durch einen Heteroübergang gebildet sein. Das kann bedeuten, dass zwischen der aktiven Schicht, die einen oder mehrere Quantentöpfe enthalten kann, und der zweiten Wellenleiterschicht ein Heteroübergang von einer Schicht mit hoher Bandlücke (z.B. AlGaN) auf eine Schicht mit geringer Bandlücke (z.B. GaN oder InGaN) angeordnet wird. Aufgrund von Piezofeldern bildet sich an diesem Übergang eine Ansammlung von Löchern oder ein „Löchergas“, welches dank einer höheren lateralen Mobilität der Ladungsträger zu einer Stromaufweitung beitragen kann. Der Heteroübergang kann z.B. mit dem Wachsen einer Elektronenbarriere an der aktiven Schicht verbunden werden. Die Elektronenbarriere kann Teil der aktiven Schicht oder alternativ Teil der Akkumulationsschicht sein. Die Elektronenbarriere ist, wie oben ausgeführt, dazu vorgesehen ein Überfließen der Elektronen aus der aktiven Schicht zu reduzieren. Die Elektronenbarriere kann auf der der aktiven Schicht zugewandten Seite ein Überfließen der Elektronen verhindern und auf der der aktiven Schicht abgewandten Seite für den benötigten Heteroübergang sorgen.According to at least one embodiment, the laser arrangement further comprises an accumulation layer which is arranged between the active layer and the second waveguide layer. According to one embodiment, the accumulation layer is designed to provide accumulation of electrically positive charge carriers in lateral directions. The accumulation layer can be formed by a heterojunction. This can mean that a heterojunction from a layer with a high band gap (e.g. AlGaN) to a layer with a low band gap (e.g. GaN or InGaN) is arranged between the active layer, which can contain one or more quantum wells, and the second waveguide layer. Due to piezo fields, a collection of holes or a “hole gas” forms at this transition, which can contribute to current expansion thanks to the higher lateral mobility of the charge carriers. The heterojunction can be associated, for example, with the growth of an electron barrier on the active layer. The electron barrier can be part of the active layer or alternatively part of the accumulation layer. As stated above, the electron barrier is intended to reduce the overflow of electrons from the active layer. The electron barrier can prevent electrons from overflowing on the side facing the active layer and can provide the required heterojunction on the side facing away from the active layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laseranordnung ferner eine erste Kontaktschicht auf, die an der der aktiven Schicht abgewandten Seite der ersten Wellenleiterschicht angeordnet ist. Die erste Kontaktschicht ist dazu vorgesehen, einen elektrischen Kontakt zur ersten Wellenleiterschicht bereitzustellen.According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a first contact layer which is arranged on the side of the first waveguide layer facing away from the active layer. The first contact layer is intended to provide electrical contact to the first waveguide layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laseranordnung ferner eine zweite Kontaktschicht auf, die an der der aktiven Schicht abgewandten Seite der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet ist. Die zweite Kontaktschicht ist dazu vorgesehen, einen elektrischen Kontakt zur zweiten Wellenleiterschicht bereitzustellen.According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a second contact layer which is arranged on the side of the second waveguide layer facing away from the active layer. The second contact layer is intended to provide electrical contact to the second waveguide layer.
Die erste und die zweiten Kontaktschicht können ein hochdotiertes Halbleitermaterial (z.B. GaN) und/oder ein Metall aufweisen. Die erste und die zweite Kontaktschicht umfassen bevorzugt ein Metall, wie Ag, Pt, Au, Pd, Ti, oder bestehen daraus. Die ersten und die zweite Kontaktschicht können auch als reflektierende Schicht ausgebildet sein, insbesondere dann, wenn sie ein Metall umfassen. Über die erste und zweite Kontaktschicht kann ein Treiberstrom in die Laseranordnung eingebracht werden, wobei der Treiberstrom über die jeweiligen Wellenleiterschichten zur aktiven Schicht transportiert wird.The first and second contact layers may comprise a highly doped semiconductor material (e.g. GaN) and/or a metal. The first and second contact layers preferably comprise or consist of a metal such as Ag, Pt, Au, Pd, Ti. The first and second contact layers can also be designed as a reflective layer, especially if they include a metal. A drive current can be introduced into the laser arrangement via the first and second contact layers, the drive current being transported to the active layer via the respective waveguide layers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform formt die erste Kontaktschicht eine Apertur, die dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlung aus der Laseranordnung auszukoppeln. In diesem Fall kann die zweite Kontaktschicht ganzflächig auf oder über der zweiten Wellenleiterschicht aufgebracht sein. Ferner kann in diesem Fall die Laseranordnung als sog. „Bottom-Emitter“ bezeichnet werden. Ausgehend von der aktiven Schicht kann elektromagnetische Strahlung die Laseranordnung über die Apertur an der ersten Wellenleiterschicht verlassen.According to at least one embodiment, the first contact layer forms an aperture which is intended to couple out electromagnetic radiation from the laser arrangement. In this case, the second contact layer can be applied over the entire surface on or above the second waveguide layer. Furthermore, in this case the laser arrangement can be referred to as a so-called “bottom emitter”. Starting from the active layer, electromagnetic radiation can leave the laser arrangement via the aperture on the first waveguide layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform formt die zweite Kontaktschicht eine Apertur, die dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlung aus der Laseranordnung auszukoppeln. In diesem Fall kann die erste Kontaktschicht ganzflächig auf oder über der ersten Wellenleiterschicht aufgebracht sein. Ferner kann in diesem Fall die Laseranordnung als sog. „Top-Emitter“ bezeichnet werden. Ausgehend von der aktiven Schicht kann elektromagnetische Strahlung die Laseranordnung über die Apertur an der zweiten Wellenleiterschicht verlassen.According to at least one embodiment, the second contact layer forms an aperture which is intended to couple out electromagnetic radiation from the laser arrangement. In this case, the first contact layer can be applied over the entire surface on or above the first waveguide layer. Furthermore, in this case the laser arrangement can be referred to as a so-called “top emitter”. Starting from the active layer, electromagnetic radiation can leave the laser arrangement via the aperture on the second waveguide layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laseranordnung ferner eine zwischen der zweiten Kontaktschicht und der zweiten Wellenleitschicht angeordnete dielektrische Schicht auf. Die dielektrische Schicht weist einen hohen elektrischen Widerstand auf, so dass ein direkter elektrischer Kontakt zwischen der zweiten Wellenleiterschicht und der zweiten Kontaktschicht in Bereichen, in denen die dielektrische Schicht angeordnet ist, vermindert ist. According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a dielectric layer arranged between the second contact layer and the second waveguide layer. The dielectric layer has a high electrical resistance, so that direct electrical contact between the second waveguide layer and the second contact layer is reduced in areas in which the dielectric layer is arranged.
Bevorzugt ist die dielektrische Schicht ist Randbereichen der Laseranordnung angeordnet. Das hat zur Folge, dass der Treiberstrom nur über einen zentralen Bereich der Laseranordnung zur aktiven Schicht transportiert wird. Dadurch kann eine Homogenität der Stromdichte erhöht werden.The dielectric layer is preferably arranged in edge regions of the laser arrangement. This means that the drive current is only transported to the active layer via a central area of the laser arrangement. This allows the homogeneity of the current density to be increased.
Alternativ oder zusätzlich zur dielektrischen Schicht weist die Laseranordnung ferner eine zwischen der zweiten Kontaktschicht und der zweiten Wellenleitschicht angeordnete kristallgeschädigte Schicht auf. Ähnlich wie die dielektrische Schicht weist eine kristallgeschädigte Schicht einen erhöhten elektrischen Widerstand auf. Auf diese Weise kann auch mittels einer kristallgeschädigten Schicht ein Stromfluss in Randbereichen der Laseranordnung vermindert werden und ein Stromfluss in zentralen Bereichen der Laseranordnung erhöht werden, so dass die Homogenität der Stromdichte verbessert wird. Die kristallgeschädigte Schicht kann eine Oberflächenschicht der zweiten Wellenleiterschicht sein, die z.B. mittels reaktiven Ionenätzen behandelt wurde, um die Kristallstruktur lokal zu schädigen.Alternatively or in addition to the dielectric layer, the laser arrangement further has a crystal-damaged layer arranged between the second contact layer and the second waveguide layer. Similar to the dielectric layer, a crystal damaged layer has increased electrical resistance. In this way, a current flow in edge regions of the laser arrangement can also be reduced and a current flow in central regions of the laser arrangement can be increased by means of a crystal-damaged layer, so that the homogeneity of the current density is improved. The crystal damaged layer can be a surface layer of the second waveguide layer, which has been treated, for example, by means of reactive ion etching to locally damage the crystal structure.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laseranordnung ferner eine Stromverteilungsschicht auf, die auf der zweiten Wellenleitschicht angeordnet ist. Die Stromverteilungsschicht ist dazu vorgesehen, einen Treiberstrom in lateralen Richtungen zu verteilen. Beispielsweise umfasst die Stromverteilungsschicht ein transparent leitfähiges Oxid, kurz TCO, wie Indiumzinnoxid, kurz ITO, oder besteht daraus. Die Ladungsträgermobilität, insbesondere die der Löcher, kann in der zweiten Wellenleiterschicht (zum Beispiel p-GaN) eingeschränkt sein und mithilfe der Stromverteilungsschicht verbessert werden. Die Stromverteilungsschicht kann in der Aufsicht auf einem zentralen Bereich der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet sein. Ferner kann die Stromverteilungsschicht in direktem Kontakt zur zweiten Kontaktschicht stehen. Auf diese Weise kann die zweite Wellenleiterschicht über die Stromverteilungsschicht mit der zweiten Kontaktschicht elektrisch verbunden sein.According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a current distribution layer which is arranged on the second waveguide layer. The current distribution layer is intended to distribute a drive current in lateral directions. For example, the current distribution layer comprises or consists of a transparently conductive oxide, TCO for short, such as indium tin oxide, ITO for short. The charge carrier mobility, especially that of the holes, can be restricted in the second waveguide layer (for example p-GaN) and can be improved using the current distribution layer. The current distribution layer can be arranged on a central region of the second waveguide layer when viewed from above. Furthermore, the current distribution layer can be in direct contact with the second contact layer. In this way, the second waveguide layer can be electrically connected to the second contact layer via the current distribution layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Stromverteilungsschicht eine Tunnelkontaktschicht oder besteht daraus. Die Tunnelkontaktschicht kann einen Schichtstapel aus einer dünnen Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps (z.B. n-Typ) und einer dünnen Schicht des zweiten Leitfähigkeitstyps (z.B. p-Typ) umfassen, wobei letztere zwischen der zweiten Wellenleiterschicht und der Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps angeordnet ist. Die Tunnelkontaktschicht formt auf diese Weise eine Tunneldiode (engl.: „tunnel junction“). Auch die Tunnelkontaktschicht ermöglicht es, einen Treiberstrom in lateralen Richtungen zu verteilen.According to at least one embodiment, the power distribution layer comprises or consists of a tunnel contact layer. The tunnel contact layer may comprise a layer stack of a thin layer of the first conductivity type (e.g. n-type) and a thin layer of the second conductivity type (e.g. p-type), the latter being arranged between the second waveguide layer and the layer of the first conductivity type. In this way, the tunnel contact layer forms a tunnel diode. The tunnel contact layer also makes it possible to distribute a drive current in lateral directions.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laseranordnung weiterhin eine dritte Wellenleiterschicht auf. Die dritte Wellenleiterschicht ist auf der Tunnelkontaktschicht angeordnet. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die dritte Wellenleiterschicht den ersten Leitfähigkeitstyp auf. Die oben erwähnte dünne Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps ist also der dritten Wellenleiterschicht zugewandt. Zum Beispiel weist die dritte Wellenleiterschicht n-GaN auf. Die zweite Wellenleiterschicht kann in diesem Ausführungsbeispiel der Laseranordnung über die Tunnelkontaktschicht und die dritte Wellenleiterschicht elektrisch kontaktiert werden.According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a third waveguide layer. The third waveguide layer is arranged on the tunnel contact layer. According to In at least one embodiment, the third waveguide layer has the first conductivity type. The above-mentioned thin layer of the first conductivity type thus faces the third waveguide layer. For example, the third waveguide layer comprises n-GaN. In this exemplary embodiment of the laser arrangement, the second waveguide layer can be electrically contacted via the tunnel contact layer and the third waveguide layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laseranordnung weiterhin eine weitere Stromverteilungsschicht auf, die auf der dritten Wellenleitschicht angeordnet ist und dazu vorgesehen ist, den Treiberstrom in lateralen Richtungen zu verteilen. Beispielsweise umfasst die weitere Stromverteilungsschicht ein transparent leitfähiges Oxid, kurz TCO, wie Indiumzinnoxid, kurz ITO, oder besteht daraus. Die weitere Stromverteilungsschicht kann in der Aufsicht auf einem zentralen Bereich der dritten Wellenleiterschicht angeordnet sein. Ferner kann die weitere Stromverteilungsschicht in direktem Kontakt zur zweiten Kontaktschicht stehen. Auf diese Weise kann die zweite Wellenleiterschicht über die weitere Stromverteilungsschicht und die dritten Wellenleiterschicht und die Tunnelkontaktschicht mit der zweiten Kontaktschicht elektrisch verbunden sein.According to at least one embodiment, the laser arrangement further comprises a further current distribution layer which is arranged on the third waveguide layer and is intended to distribute the drive current in lateral directions. For example, the further current distribution layer comprises or consists of a transparently conductive oxide, TCO for short, such as indium tin oxide, ITO for short. The further current distribution layer can be arranged on a central region of the third waveguide layer when viewed from above. Furthermore, the further current distribution layer can be in direct contact with the second contact layer. In this way, the second waveguide layer can be electrically connected to the second contact layer via the further current distribution layer and the third waveguide layer and the tunnel contact layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laseranordnung weiterhin eine Spiegelschicht auf, die an der der aktiven Schicht abgewandten Seite der zweiten Wellenleiterschicht angeordnet ist. In dieser Ausführungsform wird elektromagnetische Strahlung über eine der aktiven Schicht abgewandten Oberfläche der ersten Wellenleiterschicht ausgekoppelt, bevorzugt über die von der ersten Kontaktschicht definierte Apertur. Die Spiegelschicht kann als Bragg-Spiegel (engl: „distributed Bragg reflector“, DBR) ausgebildet sein. Die Spiegelschicht kann einen Schichtstapel aus alternierenden dünnen Schichten unterschiedlicher Brechungsindices umfassen. Die von der Spiegelschicht umfassten Schichten können epitaktisch aufgewachsen sein (sog. „epi-DBR“). Alternativ oder zusätzlich kann die Spiegelschicht dielektrische und/oder metallische Schichten umfassen oder aus diesen bestehen. Die Spiegelschicht reflektiert vom photonischen Kristall gestreutes Licht, damit dieses hauptsächlich über die Apertur abgestrahlt wird.According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a mirror layer which is arranged on the side of the second waveguide layer facing away from the active layer. In this embodiment, electromagnetic radiation is coupled out via a surface of the first waveguide layer facing away from the active layer, preferably via the aperture defined by the first contact layer. The mirror layer can be designed as a Bragg mirror (distributed Bragg reflector, DBR). The mirror layer can comprise a layer stack of alternating thin layers of different refractive indices. The layers included in the mirror layer can be grown epitaxially (so-called “epi-DBR”). Alternatively or additionally, the mirror layer can comprise or consist of dielectric and/or metallic layers. The mirror layer reflects light scattered by the photonic crystal so that it is emitted primarily through the aperture.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laseranordnung weiterhin eine Spiegelschicht auf, die an der der aktiven Schicht abgewandten Seite der ersten Wellenleiterschicht angeordnet ist. In dieser Ausführungsform wird elektromagnetische Strahlung über eine der aktiven Schicht abgewandten Oberfläche der zweiten Wellenleiterschicht ausgekoppelt, bevorzugt über die von der zweiten Kontaktschicht definierte Apertur. In diesem Fall kann die Spiegelschicht als epi-DBR ausgebildet sein.According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a mirror layer which is arranged on the side of the first waveguide layer facing away from the active layer. In this embodiment, electromagnetic radiation is coupled out via a surface of the second waveguide layer facing away from the active layer, preferably via the aperture defined by the second contact layer. In this case, the mirror layer can be designed as an epi-DBR.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Laseranordnung weiterhin eine Vielzahl von Zwischenbereichen der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht auf. Wie oben ausgeführt ermöglichen die Zwischenbereiche eine homogene Stromeinprägung aufgrund defektfreier Kristallbereiche mit niedrigem elektrischem Widerstand.According to at least one embodiment, the laser arrangement further has a plurality of intermediate regions of the waveguide layer embedding the zones. As stated above, the intermediate areas enable a homogeneous current injection due to defect-free crystal areas with low electrical resistance.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Zwischenbereiche in lateralen Richtungen regelmäßig verteilt. Beispielsweise kann der von den Zonen gebildete photonische Kristall in Abständen von X um von Zwischenbereichen unterbrochen sein, wobei X beispielsweise 5 oder 10 oder 15 sein kann. Ebenso ist es möglich dass der von den Zonen gebildete photonische Kristall alle N Zonen, beispielsweise jeweils nach 40 Zonen, von Zwischenbereichen unterbrochen wird. Übergitter-Effekte können auf diese Weise verstärkt werden, womit bestimmte Moden angeregt werden können. Alternativ sind die Zwischenbereiche in lateralen Richtungen zufällig verteilt. Auf diese Weise sind Abstände zwischen den Zwischenbereichen nicht zwingend identisch über den Abstrahlbereich verteilt, womit Übergitter-Effekte gezielt unterdrückt werden können. Es ist auch möglich, dass die Zwischenbereiche in lateralen Richtungen radial nach außen hin abnehmend verteilt sind. Dadurch kann vor allem in einem zentralen Abstrahlbereich die Stromeinprägung verbessert werden, um eine homogenere Stromdichte zu erhalten.According to at least one embodiment, the intermediate regions are regularly distributed in lateral directions. For example, the photonic crystal formed by the zones can be interrupted by intermediate regions at intervals of X μm, where X can be, for example, 5 or 10 or 15. It is also possible that the photonic crystal formed by the zones is interrupted by intermediate regions every N zones, for example after 40 zones. Superlattice effects can be enhanced in this way, which means that certain modes can be excited. Alternatively, the intermediate areas are randomly distributed in lateral directions. In this way, distances between the intermediate areas are not necessarily distributed identically over the radiation area, which means that superlattice effects can be specifically suppressed. It is also possible for the intermediate regions to be distributed in a decreasing manner radially outwards in lateral directions. As a result, the current impression can be improved, especially in a central radiation area, in order to obtain a more homogeneous current density.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist, in einer Aufsicht, die Apertur kreisförmig.According to at least one embodiment, in a top view, the aperture is circular.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die die Apertur bildende Kontaktschicht zumindest einen Steg, der sich von einem Rand der Apertur radial in Richtung Mittelpunkt der Apertur erstreckt. Mithilfe des Stegs kann die Stromzufuhr über zentrale Bereiche der Laseranordnung verbessert werden. Der Steg kann zusätzlich verspiegelt sein, um vom Steg blockierte Strahlung zurück in die Laseranordnung zu reflektieren.According to at least one embodiment, the contact layer forming the aperture comprises at least one web which extends radially from an edge of the aperture towards the center of the aperture. The bridge can be used to improve the power supply over central areas of the laser arrangement. The bridge can also be mirrored in order to reflect radiation blocked by the bridge back into the laser arrangement.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der zumindest eine Steg so angeordnet, dass er in einem Knotenbereich einer im Betrieb der Laseranordnung emittierten elektromagnetischen Welle liegt. Auf diese Weise ist es möglich, dass der Steg Teile der emittierten Welle abschattet, so dass bei Nicht-Grundmodenemission gezielt das Interferenzmuster im Fernfeld zum Beispiel möglichst engwinklig wird. Alternativ oder zusätzlich ist der zumindest eine Steg so angeordnet, dass er an dem zumindest einen Zwischenbereich der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht ausgerichtet ist. Das kann bedeuten dass der Steg in einer Aufsicht den Zwischenbereich zumindest teilweise bedeckt. Der Einfluss des Zwischenbereichs auf das abgestrahlte Modenprofil kann somit vermindert werden.According to at least one embodiment, the at least one web is arranged such that it lies in a node region of an electromagnetic wave emitted during operation of the laser arrangement. In this way, it is possible for the web to shade parts of the emitted wave, so that in the case of non-fundamental mode emission, the interference pattern in the far field becomes as narrow as possible, for example. Alternatively or additionally, the at least one web is arranged such that it is aligned with the at least one intermediate region of the waveguide layer embedding the zones. That can mean that the bridge at least partially covers the intermediate area in a top view. The influence of the intermediate region on the radiated mode profile can thus be reduced.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein optoelektronisches System angegeben. Das optoelektronische System weist eine Laseranordnung gemäß einem der oben ausgeführten Ausführungsformen auf. Das bedeutet, dass alle für die Laseranordnung offenbarten Merkmale auch für das optoelektronische System offenbart werden und umgekehrt. Die Laseranordnung kann in das optoelektronische System integriert sein. Beispielsweise handelt es sich bei dem optoelektronischen System um ein LIDAR-System oder ein Scheinwerfer-System. Das optoelektronische System kann aber auch andere Systeme umfassen, für die eine hohe Ausgangsleistung, Monomodigkeit und/oder ein enges Abstrahlprofil des Laserstrahls wünschenswert sind. Durch die Oberflächenemission kann im Vergleich zu kantenemittierenden Lasern außerdem eine Integration der Laseranordnung in das optoelektronische System effizienter gestaltet werden.According to at least one embodiment, an optoelectronic system is specified. The optoelectronic system has a laser arrangement according to one of the embodiments set out above. This means that all features disclosed for the laser arrangement are also disclosed for the optoelectronic system and vice versa. The laser arrangement can be integrated into the optoelectronic system. For example, the optoelectronic system is a LIDAR system or a headlight system. However, the optoelectronic system can also include other systems for which a high output power, monomode and/or a narrow radiation profile of the laser beam are desirable. Surface emission can also make integration of the laser arrangement into the optoelectronic system more efficient compared to edge-emitting lasers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung einer Laseranordnung angegeben. Alle für die Laseranordnung offenbarten Merkmale werden auch für Herstellungsverfahren offenbart und umgekehrt.According to at least one embodiment, a method for producing a laser arrangement is specified. All features disclosed for the laser arrangement are also disclosed for manufacturing processes and vice versa.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Bereitstellen eines eine Hauptfläche aufweisenden Substrats. Das Substrat kann das gleiche Materialsystem wie die Wellenleiterschichten und die aktive Schicht aufweisen. Beispielsweise weist das Substrat GaN auf oder besteht daraus. Das Substrat kann als Startmaterial für die nachfolgenden epitaktischen Abscheidungen der Wellenleiterschichten und der aktiven Schicht dienen. Das Substrat kann nach der Herstellung der Wellenleiterschichten und der aktiven Schicht wieder entfernt werden. Alternativ dient das Substrat als Mantelschicht des von den Wellenleiterschichten gebildeten Wellenleiters.According to at least one embodiment, the method includes providing a substrate having a main surface. The substrate can have the same material system as the waveguide layers and the active layer. For example, the substrate has or consists of GaN. The substrate can serve as a starting material for the subsequent epitaxial deposits of the waveguide layers and the active layer. The substrate can be removed again after the waveguide layers and the active layer have been produced. Alternatively, the substrate serves as a cladding layer of the waveguide formed by the waveguide layers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin ein Anordnen einer ersten Wellenleiterschicht an der Hauptfläche des Substrats, wobei die erste Wellenleiterschicht einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist. Die erste Wellenleiterschicht kann durch epitaktische Abscheidung auf dem Substrat gebildet werden.According to at least one embodiment, the method further comprises arranging a first waveguide layer on the main surface of the substrate, wherein the first waveguide layer has a first conductivity type. The first waveguide layer can be formed on the substrate by epitaxial deposition.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin ein Anordnen einer aktiven Schicht auf die erste Wellenleiterschicht, wobei die aktive Schicht dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung durch Ladungsträgerrekombination zu generieren. Die aktive Schicht kann durch epitaktische Abscheidung auf der ersten Wellenleiterschicht gebildet werden.According to at least one embodiment, the method further comprises arranging an active layer on the first waveguide layer, wherein the active layer is designed to generate electromagnetic radiation through charge carrier recombination. The active layer can be formed by epitaxial deposition on the first waveguide layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner eine Anordnen einer zweiten Wellenleiterschicht an einer der ersten Wellenleiterschicht abgewandten Seite der aktiven Schicht, wobei die zweite Wellenleiterschicht einen zweiten, dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist. Die zweite Wellenleiterschicht kann durch epitaktische Abscheidung auf der aktiven Schicht gebildet werden.According to at least one embodiment, the method further comprises arranging a second waveguide layer on a side of the active layer facing away from the first waveguide layer, wherein the second waveguide layer has a second conductivity type that is opposite to the first conductivity type. The second waveguide layer can be formed on the active layer by epitaxial deposition.
Insbesondere können die aktive Schicht, die erste und die zweite Wellenleiterschicht in einem kontinuierlichen Epitaxie-Prozess aufgewachsen sein. Durch den ununterbrochenen Epitaxie-Prozess kann die Materialqualität erhöht werden, da Möglichkeiten einer Kontamination mit Fremdatomen und Kristalldefekte reduziert werden.In particular, the active layer, the first and the second waveguide layers can be grown in a continuous epitaxy process. The continuous epitaxy process can increase material quality by reducing the possibility of contamination with foreign atoms and crystal defects.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Formen von zueinander periodisch angeordneten Zonen in der ersten Wellenleiterschicht oder in der zweiten Wellenleiterschicht. Die Zonen weisen einen Brechungsindex auf, der sich von einem Brechungsindex der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterscheidet. Die Zonen bilden mit dieser Wellenleiterschicht einen zweidimensionalen photonischen Kristall. Die Zonen können durch Gräben gebildet werden, die mittels Elektronenstrahl-Lithografie, Nanopräge-Lithografie, UV/DUV/EUV-Lithografie und/oder Trockenätzung in die jeweilige Wellenleiterschicht geformt werden. Die Gräben können optional mit einem Material, wie zum Beispiel einem Oxid, mittels eines Abscheideverfahrens aufgefüllt werden.According to at least one embodiment, the method further comprises forming zones arranged periodically with respect to one another in the first waveguide layer or in the second waveguide layer. The zones have a refractive index that differs from a refractive index of the waveguide layer embedding the zones. The zones form a two-dimensional photonic crystal with this waveguide layer. The zones can be formed by trenches that are formed into the respective waveguide layer using electron beam lithography, nanoimprint lithography, UV/DUV/EUV lithography and/or dry etching. The trenches can optionally be filled with a material, such as an oxide, using a deposition process.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird eine Periodizität der Zonenanordnung von zumindest einem Zwischenbereich der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterbrochen. Das kann bedeuten, dass in den Zwischenbereichen keine Zonen geformt werden, d.h. keine Grabenätzung erfolgt. Die Zwischenbereiche weisen demzufolge eine intakte Kristallstruktur auf. Die Laseranordnung zeichnet sich somit insbesondere dadurch aus, dass an geeigneten Stellen die Strukturierung des photonischen Kristalls ausgesetzt ist, um defektfreie Stromzuleitungen zu ermöglichen. Auf diese Weise kann die Stromeinprägung wesentlich homogener erfolgen und damit die Strahlqualität verbessert werden.According to at least one embodiment, a periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least one intermediate region of the waveguide layer embedding the zones. This can mean that no zones are formed in the intermediate areas, i.e. no trench etching takes place. The intermediate areas therefore have an intact crystal structure. The laser arrangement is therefore characterized in particular by the fact that the structuring of the photonic crystal is suspended at suitable locations in order to enable defect-free power supply lines. In this way, the current can be impressed much more homogeneously and the beam quality can therefore be improved.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Laseranordnung folgende Prozessschritte: Bereitstellen eines eine Hauptfläche aufweisenden Substrats, Anordnen einer ersten Wellenleiterschicht an der Hauptfläche des Substrats, wobei die erste Wellenleiterschicht einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, Anordnen einer aktiven Schicht auf die erste Wellenleiterschicht, wobei die aktive Schicht dazu ausgebildet ist, elektromagnetischer Strahlung durch Ladungsträgerrekombination zu generieren, Anordnen einer zweiten Wellenleiterschicht an einer der ersten Wellenleiterschicht abgewandten Seite der aktiven Schicht, wobei die zweite Wellenleiterschicht einen zweiten, dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, Formen von zueinander periodisch angeordneten Zonen in der ersten Wellenleiterschicht oder in der zweiten Wellenleiterschicht, wobei die Zonen einen Brechungsindex aufweisen, der sich von einem Brechungsindex der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterscheidet und mit dieser Wellenleiterschicht einen zweidimensionalen photonischen Kristall bilden, und wobei eine Periodizität der Zonenanordnung von zumindest einem Zwischenbereich der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht unterbrochen wird.According to at least one embodiment, a method for producing a laser arrangement comprises the following process steps: providing a substrate having a main surface, arranging a first waveguide layer on the main surface of the substrate, the first waves conductor layer has a first conductivity type, arranging an active layer on the first waveguide layer, wherein the active layer is designed to generate electromagnetic radiation by charge carrier recombination, arranging a second waveguide layer on a side of the active layer facing away from the first waveguide layer, wherein the second waveguide layer has a second conductivity type opposite to the first conductivity type, forms of mutually periodically arranged zones in the first waveguide layer or in the second waveguide layer, the zones having a refractive index that differs from a refractive index of the waveguide layer embedding the zones and with this waveguide layer a two-dimensional photonic Form a crystal, and wherein a periodicity of the zone arrangement is interrupted by at least an intermediate region of the waveguide layer embedding the zones.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Anordnen einer Ablöseschicht auf die Hauptfläche des Substrats, wobei die erste Wellenleiterschicht an einer dem Substrat abgewandten Seite der Ablöseschicht angeordnet wird. Die Ablöseschicht (engl.: „release layer“) wird vor dem Formen der ersten Wellenleiterschicht auf dem Substrat aufgetragen. Mittels der Ablöseschicht kann in einem späteren Prozessschritt das Substrat entfernt werden.According to at least one embodiment, the method further comprises arranging a release layer on the main surface of the substrate, wherein the first waveguide layer is arranged on a side of the release layer facing away from the substrate. The release layer is applied to the substrate before forming the first waveguide layer. The substrate can be removed in a later process step using the release layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Anordnen eines Trägers an eine der aktiven Schicht abgewandten Seite der zweiten Wellenleiterschicht. Der Träger kann eine weiteres Halbleitersubstrat oder eine Leiterplatte umfassen. Der Träger dient unter anderem dazu, den Schichtaufbau zu drehen, um diesen von der anderen Seite mittels einer Rückseiten-Prozessierung zu behandeln.According to at least one embodiment, the method further comprises arranging a carrier on a side of the second waveguide layer facing away from the active layer. The carrier can comprise another semiconductor substrate or a circuit board. The carrier serves, among other things, to rotate the layer structure in order to treat it from the other side using backside processing.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner ein Ablösen des Substrats entlang der Ablöseschicht. Bevorzugt erfolgt dies nach dem Drehen des Schichtaufbaus auf den Träger. Die Ablöseschicht ist dazu eingerichtet durch ein Ätzverfahren entfernt zu werden, wodurch sich das Substrat vom übrigen Schichtaufbau löst. Dadurch ist es möglich, die erste Wellenleiterschicht freizulegen.According to at least one embodiment, the method further comprises peeling the substrate along the release layer. This is preferably done after turning the layer structure onto the carrier. The release layer is designed to be removed by an etching process, whereby the substrate detaches from the remaining layer structure. This makes it possible to expose the first waveguide layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Zonen durch Trockenätzung von Gräben oder Hohlräumen in die erste Wellenleiterschicht bzw. die zweite Wellenleiterschicht geformt.According to at least one embodiment, the zones are formed by dry etching trenches or cavities in the first waveguide layer or the second waveguide layer.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ein nasschemisches Ätzen, das dazu vorgesehen ist, durch die Trockenätzung entstandene Ätzschäden in der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht um die Zonen zu reduzieren.According to at least one embodiment, the method comprises wet chemical etching, which is intended to reduce etching damage caused by the dry etching in the waveguide layer around the zones that embeds the zones.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren eine Temperung, die dazu vorgesehen ist, durch die Trockenätzung entstandene Ätzschäden in der die Zonen einbettenden Wellenleiterschicht um die Zonen zu reduzieren. Durch die Reduzierung der Ätzschäden kann die elektrische Leitfähigkeit der jeweiligen Wellenleiterschicht, in die die Ätzgräben eingebracht wurden, erhöht werden, um eine homogenere Stromdichte des Treiberstroms zu erzielen.Alternatively or additionally, the method includes annealing, which is intended to reduce etching damage caused by the dry etching in the waveguide layer around the zones that embeds the zones. By reducing the etching damage, the electrical conductivity of the respective waveguide layer into which the etching trenches were introduced can be increased in order to achieve a more homogeneous current density of the drive current.
Weitere Ausführungsformen des Herstellungsverfahrens ergeben sich für den geübten Leser aus den oben beschriebenen Ausführungsformen für die Laseranordnung. Die vorherige und nachfolgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf die Laseranordnung, das optoelektronische System und die Herstellung der Laseranordnung.Further embodiments of the manufacturing method emerge for the experienced reader from the embodiments for the laser arrangement described above. The previous and subsequent descriptions relate equally to the laser arrangement, the optoelectronic system and the production of the laser arrangement.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.Further advantages, advantageous embodiments and further developments result from the exemplary embodiments described below in connection with the figures.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
-
1 bis2 zeigen Laseranordnungen im Querschnitt gemäß Ausführungsbeispielen. -
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Bandstruktur. -
4 bis 20 zeigen Laseranordnungen im Querschnitt gemäß weiteren Ausführungsbeispielen. -
21 bis24 zeigen Laseranordnungen in der Aufsicht gemäß weiteren Ausführungsbeispielen. -
25 zeigt ein beispielhaftes Interferenzmuster einer abgestrahlten elektromagnetischen Welle im Fernfeld. -
26 zeigt eine Laseranordnungen in der Aufsicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. -
27 zeigt eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1 until2 show laser arrangements in cross section according to exemplary embodiments. -
3 shows a schematic representation of a band structure. -
4 until20 show laser arrangements in cross section according to further exemplary embodiments. -
21 until24 show laser arrangements in plan according to further exemplary embodiments. -
25 shows an exemplary interference pattern of a radiated electromagnetic wave in the far field. -
26 shows a top view of a laser arrangement according to a further exemplary embodiment. -
27 shows a schematic representation of an optoelectronic system according to an exemplary embodiment.
In Verbindung mit der
Die Laseranordnung 10 weist eine aktive Schicht 50 auf, die dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Strahlung durch Ladungsträgerrekombination zu generieren. Die aktive Schicht 50 kann ein Halbleitermaterial aufweisen. Die aktive Schicht 50 weist eine erste Hauptfläche und eine der ersten Hauptfläche gegenüberliegende zweite Hauptfläche auf. Die aktive Schicht 50 weist eine Haupterstreckungsebene auf, die in lateralen Richtungen x, y verläuft. In einer transversalen Richtung z, die senkrecht auf der Haupterstreckungsebene steht, weist die aktive Schicht 50 eine Dicke auf. Die ersten Hauptfläche und zweite Hauptfläche verlaufen parallel zu den lateralen Richtungen x, y. Die aktive Schicht 50 kann durch eine Mehrzahl von Schichten (nicht gezeigt) gebildet sein. Insbesondere kann die aktive Schicht 50 zumindest einen Quantentopf bilden, der dazu vorgesehen und ausgebildet ist, unter Anlegen eines Treiberstroms elektromagnetische Strahlung einer vorbestimmten Wellenlänge zu emittieren. Beispielsweise ist der zumindest eine Quantentopf ein 2D-Quantentopf, der durch eine dünne Zwischenschicht eines ersten Materials umgeben von Barriereschichten eines zweiten Materials gebildet wird. Die Barriereschichten weisen eine größere Bandlücke als die Zwischenschicht auf.The
Die aktive Schicht 50 ist zwischen einer ersten Wellenleiterschicht 30 und einer zweiten Wellenleiterschicht 40 angeordnet. Das kann bedeuten, dass die aktive Schicht 50 in direktem Kontakt zu den Wellenleiterschichten 30, 40 steht. Die erste Wellenleiterschicht 30 ist an oder auf der ersten Hauptfläche der aktiven Schicht 50 angeordnet. Die zweite Wellenleiterschicht 40 ist an oder auf der zweiten Hauptfläche der aktiven Schicht 50 angeordnet. Es ist auch möglich dass sich zwischen der aktiven Schicht 50 und den jeweiligen Wellenleiterschichten 30, 40 Zwischenschichten befinden (nicht gezeigt in
Die Laseranordnung 10 weist ferner zueinander periodisch angeordnete Zonen 60 auf, die in der ersten Wellenleiterschicht 30 oder in der zweiten Wellenleiterschicht 40 angeordnet sind. Im gezeigten Beispiel nach
Die Zonen 60 können matrixförmig angeordnet sein oder sich - in einer Aufsicht (siehe zum Beispiel
Wenn die Zonen 60 nachträglich in die zweite Wellenleiterschicht 40 durch Formung von Gräben eingebracht werden, kann dies beispielsweise durch ein Ätzverfahren bewerkstelligt werden. Die Gräben können mittels Elektronenstrahl-Lithografie, Nanopräge-Lithografie, UV/DUV/EUV-Lithografie und/oder Trockenätzung geformt werden. Der Ätzprozess kann die Wellenleiterschicht 40 beschädigen, insbesondere können Kristalldefekte rund um die Ätzung auftreten. Solche Kristalldefekte sind in
Die Laseranordnung 10 weist zumindest einen Zwischenbereich 70 in der zweiten Wellenleiterschicht 40 auf, in dem keine Zonen 60 angeordnet sind, d.h. an dem keine Grabenätzung durchgeführt wird. Das bedeutet, dass eine Periodizität der Zonenanordnung von dem zumindest einen Zwischenbereich 70 der die Zonen 60 einbettenden Wellenleiterschicht 30, 40 unterbrochen wird. In lateralen Richtungen x, y ist der Zwischenbereich 70 neben den Zonen 60 angeordnet, bzw. ist von den Zonen 60 umgeben. Mit anderen Worten bildet der zumindest eine Zwischenbereich 70 einen Defekt des photonischen Kristalls. In lateralen Richtungen x, y ist der zumindest eine Zwischenbereich 70 breiter als ein Abstand zwischen zwei benachbarten Zonen 60 innerhalb der periodischen Zonenanordnung. Mit anderen Worten wird im Zwischenbereich 70 der zweiten Wellenleiterschicht 40 die Anordnung der Zonen 60 ausgesetzt, so dass zumindest dieser Zwischenbereich 70 eine intakte Kristallstruktur aufweist. Die elektrische Leitfähigkeit der zweiten Wellenleiterschicht 40 kann somit verbessert werden. Der Zwischenbereich 70 beeinflusst die optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls nur wenig. Der Zwischenbereich 70 kann also als defektfreie Treiberstrom-Zuleitung zur aktiven Schicht 50 dienen.The
Die Laseranordnung 10 nach
Mit anderen Worten ist die erste Wellenleiterschicht 30 zwischen der aktiven Schicht 50 und dem Substrat 20 angeordnet. Das Substrat 20 kann ein Halbleitersubstrat sein. Das Substrat 20 kann dotiert sein, und insbesondere den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die erste Wellenleiterschicht 30 aufweisen (den ersten Leitfähigkeitstyp). Das Substrat 20 kann als Startmaterial in einem Herstellungsprozess für die Laseranordnung 10 dienen. Das kann bedeuten, dass das Substrat 20 am Ende des Herstellungsprozesses wieder entfernt wird. Es ist aber auch möglich, dass das Substrat 20 als Mantelschicht für die Laseranordnung 10 dient und eine Grenzfläche mit der ersten Wellenleiterschicht 30 bildet. Dazu kann die Mantelschicht, d.h. das Substrat 20, einen niedrigeren Brechungsindex als die erste Wellenleiterschicht 30 aufweisen, so dass eine lateral laufende optische Welle an der Grenzfläche zwischen der ersten Wellenleiterschicht 30 und der Mantelschicht reflektiert, insbesondere totalreflektiert.In other words, the
Wie oben erwähnt kann die Laseranordnung 10 ein Halbleitermaterial umfassen. Insbesondere kann die aktive Schicht 50, die erste und zweite Wellenleiterschicht 30, 40 und das Substrat 20 (falls vorhanden) ein III-V-Verbindungshalbleitermaterial aus dem AlInGaN-System umfassen.As mentioned above, the
In Verbindung mit der
In Verbindung mit der
In Verbindung mit der
In Verbindung mit der
Die Laseranordnung 10 umfasst ferner eine zweite Kontaktschicht 110, die an der der aktiven Schicht 50 abgewandten Seite der zweiten Wellenleiterschicht 40 angeordnet ist. In lateralen Richtung x, y ist die zweite Kontaktschicht 110 neben der Stromverteilungsschicht 90 angeordnet und umschließt diese in lateralen Richtungen x, y. Die zweite Kontaktschicht 110 kann in direktem Kontakt mit der Stromverteilungsschicht 90 sein. Die zweite Kontaktschicht 110 kann in direktem Kontakt mit der zweiten Wellenleiterschicht 40 sein, oder alternativ durch eine dielektrische Zwischenschicht (nicht gezeigt) von dieser beabstandet sein. Es ist auch möglich, dass die zweite Kontaktschicht 110 zwar im direktem Kontakt mit der zweiten Wellenleiterschicht 40 ist, eine Grenzfläche aber dergestalt bearbeitet ist, das ein direkter elektrischer Kontakt reduziert ist. Beispielsweise wird die Oberfläche der zweiten Wellenleiterschicht 40 mittels reaktivem Ionenätzen kristallgeschädigt, so dass ein elektrischer Widerstand erhöht wird. Die zweite Kontaktschicht 110 ist dazu vorgesehen, einen elektrischen Kontakt zur zweiten Wellenleiterschicht 40 bereitzustellen. Bevorzugt wird eine elektrische Verbindung über die Stromverteilungsschicht 90 bereitgestellt. Die erste und zweite Kontaktschicht 100, 110 können ein hochdotiertes Halbleitermaterial und/oder ein Metall aufweisen. Die erste und zweite Kontaktschicht 100, 110 umfassen bevorzugt ein Metall, wie Ag, Pt, Au, Pd, Ti, oder bestehen daraus.The
Die erste oder die zweite Kontaktschicht 100, 110 formt eine Apertur 210, die dazu vorgesehen ist, elektromagnetische Strahlung aus der Laseranordnung 10 auszukoppeln. Im Ausführungsbeispiel nach
In Verbindung mit der
In Verbindung mit der
In Verbindung mit der
In
In
Wie in
Wie in
Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
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.The features and exemplary embodiments described in connection with the figures can be combined with one another according to further exemplary embodiments, even if not all combinations are explicitly described. Furthermore, the exemplary embodiments described in connection with the figures can alternatively or additionally have further features according to the description in the general part.
The invention is not limited to these by the description based on the exemplary embodiments. Rather, the invention encompasses every new feature and every combination of features, which in particular includes every combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010
- LaseranordnungLaser arrangement
- 2020
- SubstratSubstrate
- 3030
- erste Wellenleiterschichtfirst waveguide layer
- 4040
- zweite Wellenleiterschichtsecond waveguide layer
- 5050
- aktive Schichtactive layer
- 6060
- ZonenZones
- 7070
- ZwischenbereichIntermediate area
- 8080
- Akkumulationsschichtaccumulation layer
- 9090
- StromverteilungsschichtPower distribution layer
- 100100
- erste Kontaktschichtfirst contact layer
- 110110
- zweite Kontaktschichtsecond contact layer
- 111111
- Stegweb
- 120120
- SpiegelschichtMirror layer
- 130130
- TunnelkontaktschichtTunnel contact layer
- 140140
- dritte Wellenleiterschichtthird waveguide layer
- 150150
- dielektrische Schichtdielectric layer
- 160160
- weitere Stromverteilungsschichtanother power distribution layer
- 170170
- Ablöseschichtrelease layer
- 180180
- Trägercarrier
- 190190
- antireflektierende Schichtanti-reflective layer
- 200200
- Deckschichttop layer
- 210210
- Aperturaperture
- 300300
- optoelektronisches Systemoptoelectronic system
- LBL.B
- Leitungsbandconduction band
- VBVB
- ValenzbandValence band
- EFe, EFhEFe, EFh
- Quasi-Ferminiveaus für Elektronen und LöcherQuasi-Fermi levels for electrons and holes
- x,yx,y
- laterale Richtungenlateral directions
- ze.g
- transversale Richtungtransversal direction
Claims (20)
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DE102021102277A1 (en) | SURFACE EMITTING SEMICONDUCTOR LASER AND METHOD FOR MANUFACTURING A SURFACE EMITTING SEMICONDUCTOR LASER |
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