WO2020058082A1 - Gewinngeführter halbleiterlaser und herstellungsverfahren hierfür - Google Patents

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Jens Ebbecke
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    • H01S5/32308—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm
    • H01S5/32316—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength less than 900 nm comprising only (Al)GaAs

Definitions

  • a profit-led semiconductor laser is specified.
  • One problem to be solved is to specify a profit-led semiconductor laser that shows the high optical quality of an emitted laser mode.
  • the semiconductor laser is a profit-led semiconductor laser. That is, a fashion guide in the direction transverse to one
  • the resonator axis is not caused by jumps in refractive index, for example by ridge waveguides or Refractive index jumps are caused, but one
  • Semiconductor laser is defined by an energization area of an active zone. So that's one
  • Semiconductor laser is a semiconductor layer sequence.
  • Semiconductor layer sequence contains at least one active zone for generating radiation and thus for generating the laser radiation.
  • the semiconductor layer sequence comprises one or, preferably, two waveguide layers.
  • the at least one waveguide layer is located on the active zone, preferably directly on the active zone.
  • Waveguide layer in particular together with the active zone, has a comparatively high optical
  • Refractive index for the laser radiation so that the waveguide layer can be guided in a direction parallel to a growth direction of the semiconductor layer sequence.
  • the semiconductor layer sequence contains one or, preferably, two cladding layers.
  • Cladding layer is on the associated
  • Waveguide layer It is possible that at least one cladding layer is located directly on the assigned waveguide layer.
  • the at least one cladding layer faces of the associated waveguide layer has a comparatively low refractive index in order to guide the waveguide
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on a III-V compound semiconductor material.
  • the semiconductor material is, for example, a nitride
  • Phosphide compound semiconductor material such as
  • Compound semiconductor material such as Al n In ] __ nm Ga m As or like Al n Ga m In ] __ nm As P ] _-k, where 0 dn ⁇ 1, 0 dm ⁇ 1 and n + m ⁇ 1 and 0 dk ⁇ 1 is.
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on the
  • Semiconductor layer sequence also one or more
  • Current aperture layer is thus set up to define an energized area of the active zone.
  • a definition of the resonator axis also takes place via the current diaphragm layer.
  • the semiconductor laser is therefore one
  • Edge areas which follow the central area in the direction away from the resonator axis, each have at least a minimum width. This means that a width of the edge areas can be at the minimum width or the edge areas have a width that is greater than the minimum width.
  • the minimum width is at least 3 ⁇ m or 5 ⁇ m. As an alternative or in addition, the minimum width is at most 100 ⁇ m or 50 ⁇ m or 20 ⁇ m or 10 ⁇ m. The minimum width is preferably between 5 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the electrical contact surfaces are for immediate Current injection set up in the semiconductor layer sequence.
  • the electrical contact areas are preferably composed of one or more metal layers, wherein layers of a transparent conductive oxide can optionally also be present.
  • the electrical contact surfaces are preferably metallic structures.
  • the active zone and in particular a current-carrying area of the active zone is located between the electrical contact areas.
  • the electrical are seen in a top view of the semiconductor layer sequence
  • the semiconductor layer sequence and the electrical contact areas are or at least one
  • Contact areas in the central area and beyond on both sides, at least up to the minimum width, are unstructured and continuous components, preferably applies in at least one cross section perpendicular to the resonator axis and parallel to the direction of growth of the semiconductor layer sequence. This applies in particular to all cross sections perpendicular to the resonator axis in a range of at least 80% or 90% of the length of the resonator axis. It is possible that
  • the semiconductor layer sequence comprises an active zone for generating radiation, at least one waveguide layer on the active zone and at least one cladding layer on the at least one
  • Waveguide layer comprises at least one current diaphragm layer that runs along one
  • Resonator axis of the semiconductor laser is electrically conductive in a central region and electrically insulating in subsequent edge regions.
  • the central region has a width of at least 10 ⁇ m across the resonator axis and the edge regions have at least a minimum width.
  • the minimum width is 3 ym or more. Seen in plan view, the semiconductor layer sequence and at least that
  • a trench extends along both sides of the resonator axis and the trenches laterally expose the current diaphragm layer and cut through the entire semiconductor layer sequence down to a substrate, and the trenches are in particular for this purpose set up to suppress parasitic modes so that the trenches are oblique to a growth direction of the
  • Semiconductor layer sequence have extending side surfaces.
  • GaAs and AlGaAs are under pressure and therefore under
  • the direction of growth of the semiconductor layer sequence also referred to as slow axis divergence, is impaired.
  • the profit-guided semiconductor laser described here which is in particular in the form of a broad-strip laser, structural edges and thus tension in a current-carrying region which generates the laser radiation are avoided.
  • the radiation angle in a plane perpendicular to a growth direction of the semiconductor layer sequence can thus be controlled and birefringence at edge regions of a region that is energized and provided for generating laser radiation can be avoided or at least strongly
  • Gain the width of the current expansion, and thus the profit guidance, being essentially current-independent, which leads to more stable electro-optical properties.
  • a selectively oxidizable epitaxially grown layer that is to say the current aperture layer, is integrated in the semiconductor layer sequence.
  • Such layers are known, for example, from vertically emitting lasers, but are used in such lasers to limit an emitting region.
  • lasers with an index guide, especially with ridge waveguides are known, for example, from vertically emitting lasers, but are used in such lasers to limit an emitting region.
  • Edge areas so that the edge areas are in particular so wide that optical modes supported in the semiconductor laser are shielded by the edge areas from structures lying outside the edge areas.
  • edge regions of a current diaphragm layer have to be so narrow that an optical mode due to the index guidance
  • the semiconductor laser described here is accurate
  • trenches along the resonator axis on both sides and along the resonator axis. This means that the resonator axis is located between two trenches when viewed from above.
  • the trenches preferably extend along the entire
  • Resonator axis The current aperture layer is exposed laterally through the trenches.
  • the trenches cut through the semiconductor layer sequence at least as far as the active zone. It is also possible that the trenches cover the entire
  • the active zone can have the same width as the current diaphragm layer and the current diaphragm layer and the active zone can be congruent or essentially congruent when viewed in plan view. Essentially means for example with a tolerance of at most 1 ym or 0.5 ym or 0.2 ym.
  • the active zone is usually below a ridge waveguide and thus has a greater width than the ridge waveguide itself.
  • Waveguide layers and the associated cladding layer Waveguide layers and the associated cladding layer.
  • Current aperture layer may be arranged.
  • the current aperture layer is in the
  • Cladding layer or on a side of the cladding layer facing away from the active zone. However, that is preferred
  • Waveguide layer is located.
  • a distance between the current diaphragm layer and the active zone is at least 0.5 ⁇ m or 0.8 ⁇ m. Alternatively or additionally, this distance is at most 2 ym or 1.5 ym.
  • the current diaphragm layer is approximately 1 ⁇ m from the active zone.
  • the thickness of the current aperture layer is at most 100 nm or 70 nm or 50 nm.
  • the current aperture layer formed in the central region from a III-V semiconductor material.
  • the current aperture layer comprises one or more III oxides
  • this difference in thickness is at most 3% or 2% or 1% of the mean thickness of the central region.
  • this difference in thickness is at least 0.1% or 0.3% of the average thickness of the central region.
  • the current aperture layer in the central region is preferably made of Al ] __ z Ga z As.
  • Z is preferably greater than or equal to 0.005 or greater than or equal to 0.01.
  • z is at most 0.05 or 0.03 or 0.025.
  • the current aperture layer in the central area is therefore essentially made of AlAs with only a small Ga content.
  • layers of the Semiconductor layer sequence has an aluminum content of at least 5% or 10% or 20% and / or at most 60% or 40% or 50%. Such to the semiconductor layer sequence
  • adjacent layers are in particular made of AlInGaAs or AlGaAs. These layers can represent the cladding layers and / or the waveguide layers.
  • the facets are for reflection and / or for decoupling one generated during operation
  • the facets are preferably generated by means of columns of the semiconductor layer sequence. It is possible that passivation layers and / or layers for setting a reflectivity are present on the facets.
  • the facets are free of electrically insulating regions of the current diaphragm layer at least in one radiation decoupling region. The generated one occurs in the radiation decoupling area
  • the edge regions of the current diaphragm layer extend along the resonator axis in the semiconductor layer sequence with a constant width.
  • the facet in the central region is preferably free of an electrically insulating area of the current-aperture layer, so that current can be released from the active zone at the Facets can be achieved in particular by a geometry of the electrical contact surfaces.
  • a width of the edge regions of the current diaphragm layer is equal to that
  • Minimum width This applies preferably with a tolerance of at most 1 ⁇ m or 0.5 ⁇ m or 0.2 ⁇ m. This means that the electrical contact surfaces can end flush with the semiconductor layer sequence.
  • Contact surfaces directly on the semiconductor layer sequence and the semiconductor layers can be congruent or approximately congruent when viewed in plan view.
  • a width of the edge regions is greater than the minimum width. This means that the semiconductor layer sequence is then wider than at least one of the electrical contact areas, in particular wider than the electrical contact area directly on the
  • Current diaphragm layer is then preferably located in a p-conducting region of the semiconductor layer sequence. This means that the current aperture layer can be located between the active zone and the electrical contact area designed as an anode.
  • Semiconductor laser exactly two of the current aperture layers.
  • the active zone is located between the current shutter layers.
  • one of the current diaphragm layers lies in a p- conductive region of the semiconductor layer sequence and the other of the current diaphragm layers in an n-conductive region of the semiconductor layer sequence.
  • Emission wavelength or wavelength of maximum intensity of the laser radiation generated by the semiconductor laser in operation at at least 830 nm or 840 nm and / or at most 1.1 ym or 1060 nm.
  • the emits
  • Semiconductor lasers then operate in near-infrared radiation.
  • the semiconductor laser is set up for multimode operation.
  • a manufacturing process is also specified.
  • the manufacturing method produces a semiconductor laser according to one or more of the above-mentioned embodiments.
  • Features of the manufacturing process are therefore also disclosed for the semiconductor laser and vice versa.
  • the method comprises the following steps, preferably in the order given:
  • Edge areas are formed and so that the non-oxidized, immediately adjoining areas of the current shield layer form the electrically conductive central area
  • the oxidation of the current aperture layer is carried out wet-chemically.
  • the oxidation of the current aperture layer is carried out at a temperature of at least
  • this temperature is at most 600 ° C or 500 ° C or 450 ° C.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a semiconductor laser
  • Figure 3 is a schematic plan view of a
  • Figure 4 is a schematic sectional view of a
  • Figure 5 is a schematic sectional view of a
  • Figure 6 is a schematic sectional view of a
  • Figure 7 is a schematic plan view of a
  • Figure is a schematic sectional view of a
  • FIGS. 1 to 4 A production method for a semiconductor laser 1 is illustrated in FIGS. 1 to 4.
  • a semiconductor layer sequence 2 is grown on a substrate 6.
  • the substrate 6 is, for example, an n-doped GaAs substrate.
  • An growth layer 27 is optionally located directly on the substrate 6.
  • the growth direction G the growth direction
  • Waveguide layer 22, an active zone 21, a further waveguide layer 22 and a further cladding layer 23 can be made of AlGaAs and are, for example, n-doped on the substrate side and p-doped on a side facing away from the active zone 21.
  • the semiconductor layer sequence 2 can have a buffer layer 25
  • the buffer layer 25 is made, for example, of n-doped GaAs.
  • the semiconductor layer sequence can have a contact layer 24 on a side facing away from the substrate 6.
  • the contact layer 24 can form an upper side 20 of the semiconductor layer sequence.
  • the contact layer 24 is made of p-doped GaAs, and a relatively high dopant concentration can be present.
  • the semiconductor layer sequence 2 comprises one
  • the current aperture layer 3 is preferably located between the p-side waveguide layer 22 and the associated cladding layer 23 and directly adjoins these layers. Like all other layers of the
  • the current aperture layer 3 is preferably grown as a homogeneous, continuous and unstructured layer over a complete wafer.
  • the current diaphragm layer 3 is made of p-doped AlGaAs with a Ga content of 2%. That is, the
  • Current aperture layer 3 is almost made of AlAs.
  • a thickness of the current diaphragm layer 3 is preferably only small and is in particular around 30 nm.
  • a distance between the Current aperture layer 3 and the active zone 21, on the other hand, is relatively large and is, for example, approximately 1 ⁇ m.
  • the method step in FIG. 2 illustrates that through the semiconductor layer sequence 2 into the
  • trenches 5 are formed.
  • the trenches 5 can be of V-shaped design in cross section. Through the trenches 5 the grown according to Figure 1
  • a width of the trenches 5 on the upper side 20 is, for example, at least 2 ⁇ m or 5 ⁇ m and / or at most 20 ⁇ m or 10 ⁇ m, in particular between
  • the current aperture layer 3 is oxidized laterally from the trenches 5.
  • This oxidation is preferably carried out wet-chemically at a temperature of, for example, approximately 400 ° C.
  • edge regions 33 are formed which extend away from the trenches 5 in the direction towards a non-oxidized central region 32. The remains in the central area 32
  • Edge regions 33 which are oxidized, is
  • Current aperture layer 3 electrically insulating or at least significantly reduced in its electrical conductivity.
  • a transition between the edge regions 33 and the central region 32 in the lateral direction is preferably formed abruptly.
  • Figure 3 is a plan view of the wafer according to the
  • trenches 5 preferably extend continuously along later resonator axes of the individual semiconductor lasers 1 Trenches 5 can thus be on the wafer through straight, continuous structures over several of the later ones
  • Semiconductor laser 1 may be formed. Between adjacent areas of the semiconductor layer sequence 2 for the
  • Semiconductor lasers 1 are therefore preferably located in each case two of the trenches 5.
  • the trenches 5 in the finished semiconductor lasers 1 are set up to suppress parasitic modes such as ring modes.
  • the trenches 5 preferably point obliquely
  • Growth direction G extending side surfaces in order to reflect radiation not intended for amplification away from the plane of the active zone 21.
  • FIG. 4 shows the finished semiconductor laser 1, after which electrical contact surfaces 4 have been applied and after which a separation into the semiconductor lasers 1 has been carried out
  • a resonator axis is oriented perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 4.
  • Semiconductor layer sequence 2 is applied comparatively broadly across the semiconductor layer sequence 2. Structural edges in the area of the energized central area 32 are thus avoided. Thus, no or no significant stresses in the semiconductor layer sequence 2 occur at the central region 32, which would be caused by structural edges. Thus, a high quality of the optical modes of the emitted
  • Laser radiation can be achieved.
  • a width W of the central region 32 is preferably at least 100 ⁇ m and is therefore comparatively wide.
  • a unstructured minimum width M, which adjoins the central region 32 on both sides, is preferably between 5 ⁇ m and 10 ⁇ m inclusive. The minimum width M is thus so large that there is an optical decoupling away from the central region 32 over the minimum width M. In other words, the minimum width M is chosen so large that
  • the edge areas 33 are wider than that
  • Semiconductor layer sequence 2 protrudes beyond the contact area 4 on the upper side 20.
  • the contact surface 4 on the substrate 6 is preferably applied over the entire surface or almost over the entire surface.
  • the contact surfaces 4 are each by one
  • FIG. 5 illustrates that a passivation 8 is additionally installed in the trenches 5.
  • the passivation 8 can partially cover the semiconductor layer sequence 2 on the upper side 20.
  • the contact surface 4 on the top 20 partially extends to the passivation 8. This creates an edge 9 between the corresponding contact surface 4 and passivation 8. However, this edge 9 is spaced at least a minimum width M from the central region 32, in the direction perpendicular to the growth direction G and in the direction perpendicular to a resonator axis R, which is perpendicular to the
  • the contact surface 4 In a departure from the illustration in FIG. 5, it is possible for the contact surface 4 to be flush with the passivation 8 on the upper side 20 in the lateral direction, or for this contact surface 4 to end at a distance from the passivation 8.
  • the semiconductor layer sequence 2 and the contact surface 4 are flush with one another on the upper side 20.
  • the same can also apply in the exemplary embodiments in FIGS. 4 and 5.
  • the passivation 8 can optionally also be present.
  • a further current diaphragm layer 3 can optionally be present. That is, the active zone 21 can be between the two
  • the trenches 5, viewed in cross section, can be designed to widen in a trapezoidal manner toward the substrate 6. Furthermore, it is possible that the trenches 5 do not extend into the substrate 6.
  • an etching stop layer 28 in the Semiconductor layer sequence 2 may be present, for example directly on the substrate 6.
  • FIG. 7 shows a top view of the semiconductor laser 1. It can be seen that the trenches 5 extend on both sides of a resonator axis R. The edge regions 33 start from the trenches 5 and extend with one
  • Resonator axis R is delimited by facets 7.
  • a laser radiation L generated during operation emerges from the semiconductor layer sequence 2 on one of the facets 7.
  • the contact surface 4 can end at a distance from the facets 7 on the upper side 20 in order to prevent or reduce current supply directly at the facets 7.
  • FIG. 10 A modification 10 of a semiconductor laser is shown in FIG. In this modification 10 there is none
  • a lateral current limitation takes place via the geometry of the passivation layer 8 and / or the contact layer 4.
  • edges 9 generate stresses in the semiconductor layer sequence 2 directly on the energized area. This can result in a change in the polarization of the laser radiation at the edges of the energized zone. This is undesirable in many applications.
  • the central region 32 and the edge regions 33 are also induced in the semiconductor layer sequence 2, but due to the small thickness, these stresses have only a slight, negligible influence.
  • the current diaphragm layer 3 is so thin that there is effectively no indexing of the laser mode due to the

Landscapes

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Abstract

In einer Ausführungsform umfasst der gewinngeführte Halbleiterlaser (1) eine Halbleiterschichtenfolge (2) und elektrische Kontaktflächen (4). Die Halbleiterschichtenfolge (2) umfasst eine aktive Zone (21) zur Strahlungserzeugung, eine Wellenleiterschicht (22) und eine Mantelschicht (23). Die Halbleiterschichtenfolge (2) umfasst ferner eine Stromblendenschicht (3), die längs einer Resonatorachse (R) in einem Zentralbereich (32) elektrisch leitend und in anschließenden Randbereichen (33) elektrisch isolierend ist. Quer zur Resonatorachse (R) weist der Zentralbereich (32) eine Breite (W) von mindestens 10 µm auf und die Randbereiche (33) weisen mindestens eine Mindestbreite (M) auf. Die Mindestbreite (M) liegt bei 3 µm oder mehr. In Draufsicht gesehen sind die Halbleiterschichtenfolge (2) sowie zumindest eine der Kontaktflächen (4) an der Halbleiterschichtenfolge (2) im Zentralbereich (32) sowie beidseitig zumindest bis zur Mindestbreite (M) in Richtung quer zur Resonatorachse (R) an den Zentralbereich (32) anschließend und über den Zentralbereich (32) hinausgehend durchgehende Komponenten.

Description

Beschreibung
GEWINNGEFÜHRTER HALBLEITERLASER UND HERSTELLUNGSVERFAHREN
HIERFÜR
Es wird ein gewinngeführter Halbleiterlaser angegeben.
Darüber hinaus wird ein Herstellungsverfahren für einen solchen Halbleiterlaser angegeben.
Die Druckschriften WO 01/50553 A2 und WO 02/49168 A2
betreffen kantenemittierende Halbleiterlaser mit einem
Stegwellenleiter, wobei eine Stromblendenschicht in den
Stegwellenleiter eingebracht ist.
Aus der Druckschrift DE 10 2017 112 242 Al ist ein
gewinngeführter Halbleiterlaser bekannt, der
Verspannungsschichten aufweist, die gezielt Verspannungen in einer Halbleiterschichtenfolge erzeugen.
Eine zu lösende Aufgabe liegt darin, einen gewinngeführten Halbleiterlaser anzugeben, der eine hohe optische Qualität einer emittierten Lasermode aufzeigt.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch einen Halbleiterlaser und durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte
Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Halbleiterlaser um einen gewinngeführten Halbleiterlaser. Das heißt, eine Modenführung in Richtung quer zu einer
Resonatorachse erfolgt nicht durch Brechungsindexsprünge, die beispielsweise durch Stegwellenleiter oder Brechungsindexsprünge verursacht sind, sondern eine
Strahlführung von Laserstrahlung innerhalb des
Halbleiterlasers ist durch einen Bestromungsbereich einer aktiven Zone definiert. Damit ist eine
Halbleiterschichtenfolge im Bereich der Resonatorachse, in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge gesehen,
geometrisch unstrukturiert und durch durchgehende Schichten ohne sich optisch signifikant auswirkende Inhomogenitäten gebildet .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterlaser eine Halbleiterschichtenfolge. Die
Halbleiterschichtenfolge beinhaltet mindestens eine aktive Zone zur Strahlungserzeugung und damit zur Erzeugung der LaserStrahlung .
Weiterhin umfasst die Halbleiterschichtenfolge eine oder, bevorzugt, zwei Wellenleiterschichten. Die mindestens eine Wellenleiterschicht befindet sich an der aktiven Zone, bevorzugt unmittelbar an der aktiven Zone. Die
Wellenleiterschicht, insbesondere zusammen mit der aktiven Zone, weist einen vergleichsweise hohen optischen
Brechungsindex für die Laserstrahlung auf, sodass in der Wellenleiterschicht eine Wellenführung in Richtung parallel zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge erfolgen kann.
Außerdem beinhaltet die Halbleiterschichtenfolge eine oder, bevorzugt, zwei Mantelschichten. Die mindestens eine
Mantelschicht befindet sich an der zugehörigen
Wellenleiterschicht. Es ist möglich, dass sich zumindest eine Mantelschicht direkt an der zugeordneten Wellenleiterschicht befindet. Die mindestens eine Mantelschicht weist gegenüber der zugehörigen Wellenleiterschicht einen vergleichsweise geringen Brechungsindex auf, um die Wellenführung der
Laserstrahlung zu ermöglichen.
Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf einem III- V-Verbindungshalbleitermaterial . Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid-
Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n-mGamN oder um ein
Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial wie
AlnIn]__n-mGamP oder auch um ein Arsenid-
Verbindungshalbleitermaterial wie AlnIn]__n-mGamAs oder wie AlnGamIn]__n-mAs P]_-k, wobei jeweils 0 d n < 1, 0 d m < 1 und n + m < 1 sowie 0 d k < 1 ist. Bevorzugt gilt dabei für zumindest eine Schicht oder für alle Schichten der
Halbleiterschichtenfolge 0 < n < 0,8, 0,4 < m < 1 und n + m < 0,95 sowie 0 < k < 0,5. Dabei kann die
Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche
Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge auf dem
Materialsystem AlnIn]__n-mGamAs, kurz AlInGaAs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterschichtenfolge außerdem eine oder mehrere
Stromblendenschichten. Die mindestens eine
Stromblendenschicht weist längs der Resonatorachse des
Halbleiterlasers in einem Zentralbereich elektrisch leitend Eigenschaften und in Randbereichen elektrisch isolierende Eigenschaften auf. Damit erfolgt im bestimmungsgemäßen
Betrieb des Halbleiterlasers nur im Zentralbereich durch die Stromblendenschicht hindurch ein Stromfluss. Die
Stromblendenschicht ist somit dazu eingerichtet, einen bestromten Bereich der aktiven Zone zu definieren. Es erfolgt über die Stromblendenschicht also auch eine Definition der Resonatorachse .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Zentralbereich in Richtung quer, insbesondere in Richtung senkrecht zur Resonatorachse eine Breite von mindestens 10 ym oder 20 ym oder 50 ym oder, bevorzugt, von mindestens 100 ym auf. Das heißt, der Zentralbereich und damit der bestromte Bereich der aktiven Zone ist vergleichsweise breit. Bei dem Halbleiterlaser handelt es sich somit um einen
Breitstreifenlaser.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die
Randbereiche, die in Richtung weg von der Resonatorachse unmittelbar auf den Zentralbereich folgen, je mindestens eine Mindestbreite auf. Das heißt, eine Breite der Randbereiche kann bei der Mindestbreite liegen oder die Randbereichen weisen eine Breite auf, die größer ist als die Mindestbreite.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt die Mindestbreite bei mindestens 3 ym oder 5 ym. Alternativ oder zusätzlich liegt die Mindestbreite bei höchstens 100 ym oder 50 ym oder 20 ym oder 10 ym. Bevorzugt liegt die Mindestbreite zwischen einschließlich 5 ym und 10 ym.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die
Halbleiterschichtenfolge elektrische Kontaktflachen . Die elektrischen Kontaktflachen sind zur unmittelbaren Stromeinprägung in die Halbleiterschichtenfolge eingerichtet. Bevorzugt sind die elektrischen Kontaktflachen aus einer oder aus mehreren Metallschichten zusammengesetzt, wobei optional auch Schichten aus einem transparenten leitfähigen Oxid vorhanden sein können. Bevorzugt jedoch sind die elektrischen Kontaktflächen metallische Strukturen. Insbesondere befindet sich die aktive Zone und speziell ein bestromter Bereich der aktiven Zone zwischen den elektrischen Kontaktflächen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind in Draufsicht auf die Halbleiterschichtenfolge gesehen die elektrischen
Kontaktflächen sowie die Halbleiterschichtenfolge in einem optisch relevanten Bereich durchgehende Komponenten. Der optisch relevante Bereich ist in Draufsicht gesehen
insbesondere der Zentralbereich sowie beiderseits des
Zentralbereichs je ein Streifen zumindest bis zur
Mindestbreite, in Richtung quer zur Resonatorachse über den Zentralbereich hinausgehend.
Das heißt, im Zentralbereich sowie in den Streifen mit einer Breite von mindestens der Mindestbreite liegen keine optisch relevanten geometrischen Kanten und/oder Strukturierungen vor. Mit anderen Worten sind die Halbleiterschichtenfolge und die elektrischen Kontaktflächen oder zumindest eine
elektrische Kontaktfläche direkt an der
Halbleiterschichtenfolge über den Zentralbereich und über Streifen mit mindestens der Mindestbreite hinweg flache, unstrukturierte Gebilde.
Dass die Halbleiterschichtenfolge und die elektrischen
Kontaktflächen im Zentralbereich sowie beidseitig darüber hinausgehend mindestens bis zur Mindestbreite unstrukturiert und durchgehende Komponenten sind, gilt bevorzugt in mindestens einem Querschnitt senkrecht zur Resonatorachse und parallel zur Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge. Insbesondere gilt dies für alle Querschnitte senkrecht zur Resonatorachse in einem Bereich von mindestens 80 % oder 90 % der Länge der Resonatorachse. Es ist möglich, dass an
Resonatorenden von dieser Geometrie abgewichen wird,
insbesondere falls an den Resonatorenden die elektrische Kontaktflache nicht vorhanden ist.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst der
gewinngeführte Halbleiterlaser eine Halbleiterschichtenfolge und elektrischen Kontaktflachen . Die Halbleiterschichtenfolge umfasst eine aktive Zone zur Strahlungserzeugung, mindestens eine Wellenleiterschicht an der aktiven Zone und mindestens eine Mantelschicht an der zumindest einen
Wellenleiterschicht. Die Halbleiterschichtenfolge umfasst mindestens eine Stromblendenschicht, die längs einer
Resonatorachse des Halbleiterlasers in einem Zentralbereich elektrisch leitend und in anschließenden Randbereichen elektrisch isolierend ist. Quer zur Resonatorachse weist der Zentralbereich eine Breite von mindestens 10 ym auf und die Randbereiche weisen mindestens eine Mindestbreite auf. Die Mindestbreite liegt bei 3 ym oder mehr. In Draufsicht gesehen sind die Halbleiterschichtenfolge sowie zumindest die
elektrische Kontaktfläche an der Halbleiterschichtenfolge im Zentralbereich sowie beidseitig zumindest bis zur
Mindestbreite in Richtung quer zur Resonatorachse an den Zentralbereich anschließend und über den Zentralbereich hinausgehend durchgehende Komponenten. Insbesondere erstreckt sich beiderseits längs der Resonatorachse je ein Graben und die Gräben legen die Stromblendenschicht seitlich frei und durchtrennen die gesamte Halbleiterschichtenfolge bis zu einem Substrat und die Gräben sind insbesondere dazu eingerichtet, parasitäre Moden zu unterdrücken, sodass die Gräben schräg zu einer Wachstumsrichtung der
Halbleiterschichtenfolge verlaufende Seitenflächen aufweisen.
Insbesondere sind in Draufsicht gesehen die
Halbleiterschichtenfolge und die elektrischen Kontaktflächen im Zentralbereich sowie zumindest bis zur Mindestbreite in Richtung quer zur Resonatorachse an einer der aktiven Zone abgewandten Seite der Stromblendenschicht beidseitig über den Zentralbereich hinausgehend durchgehende Komponenten.
Die Prozessierung einer Stromeinprägung insbesondere an einer p-leitenden Seite von Infrarot-Breitstreifenlasers durch eine Strukturierung etwa von hochleitfähigem p-GaAs und einer nachfolgenden Abscheidung von verspannten Dielektrika
und/oder Metallen führt zu einer erhöhten Verspannung von p- leitenden Halbleiterschichten in der Nähe von Strukturkanten, wie beispielsweise an Kanten einer strukturierten p-GaAs- Schicht. Da GaAs und AlGaAs unter Druck und damit unter
Verspannungen doppelbrechend werden, sind somit auch die elektrooptischen Eigenschaften des betreffenden Lasers beeinflusst .
Dies bedeutet zum einen, dass ein Abstrahlwinkel in
horizontaler Ebene, also in Richtung senkrecht zu einer
Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge, auch als Slow Axis-Divergenz bezeichnet, beeinträchtigt wird. Zum anderen bedeutet dies, dass durch die Doppelbrechung gerade unterhalb von Strukturkanten eine Polarisationsdrehung erfolgen kann und somit Laserlicht am Rande eines Breitstreifenemitters verstärkt TM-polarisiert ist. Die ist für viele Anwendungen problematisch . Bei dem hier beschriebenen gewinngeführten Halbleiterlaser, der insbesondere als Breitstreifenlaser ausgeführt ist, werden Strukturkanten und damit Verspannungen an einem bestromten, die Laserstrahlung erzeugenden Bereich vermieden. Damit lässt sich der Abstrahlwinkel in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung der Halbleiterschichtenfolge kontrollieren und eine Doppelbrechung an Randbereichen eines bestromten und zur Erzeugung von Laserstrahlung vorgesehenen Bereichs lässt sich vermeiden oder zumindest stark
reduzieren .
Dies wird bei dem hier beschriebenen Halbleiterlaser
insbesondere durch die Vermeidung von Strukturkanten an einer Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge erreicht, um somit Spannungserhöhungen an solchen Kanten zu verhindern.
Weiterhin erfolgt eine Gewinnführung der optischen
Verstärkung, wobei die Breite der Stromaufweitung, und damit der Gewinnführung, im Wesentlichen stromunabhängig ist, was zu stabileren elektrooptischen Eigenschaften führt.
Dazu wird insbesondere eine selektiv oxidierbare epitaktisch gewachsene Schicht, also die Stromblendenschicht, in der Halbleiterschichtenfolge integriert. Solche Schichten sind beispielsweise aus vertikal emittierenden Lasern bekannt, dienen in solchen Lasern allerdings dazu, einen emittierenden Bereich einzugrenzen. In Lasern mit einer Indexführung, insbesondere mit Stegwellenleitern, können
Stromeingrenzungsschichten dazu dienen, einen Einmodenbetrieb zu erreichen.
Bei Lasern mit Stegwellenleitern sind elektrisch isolierende Randbereiche einer Stromblendenschicht jedoch vergleichsweise schmal, da ansonsten eine Indexführung aufgrund des Stegwellenleiters nicht mehr gewährleistet wäre. Im Gegensatz dazu weist die Stromblendenschicht des hier beschriebenen Halbleiterlasers eine vergleichsweise große Breite der
Randbereiche auf, sodass die Randbereiche insbesondere derart breit sind, sodass im Halbleiterlaser unterstützte optische Moden durch die Randbereiche von außerhalb der Randbereiche liegenden Strukturen abgeschirmt sind.
Das heißt, bei Halbleiterlasern mit Stegwellenleitern müssen Randbereiche einer Stromblendenschicht derart schmal sein, sodass eine optische Mode wegen der Indexführung die
elektrisch isolierenden Randbereiche überbrücken kann. Bei dem hier beschriebenen Halbleiterlaser ist genau
gegenteiliges der Fall.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstrecken sich
beiderseits und längs der Resonatorachse Gräben entlang der Resonatorachse. Das heißt, die Resonatorachse befindet sich in Draufsicht gesehen zwischen zwei Gräben. Die Gräben erstrecken sich bevorzugt entlang der kompletten
Resonatorachse. Durch die Gräben ist die Stromblendenschicht seitlich freigelegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform durchtrennen die Gräben die Halbleiterschichtenfolge mindestens bis zur aktiven Zone. Ebenso ist es möglich, dass die Gräben die gesamte
Halbleiterschichtenfolge durchtrennen und beispielsweise bis an oder auch bis in ein Substrat, insbesondere ein
Aufwachssubstrat der Halbleiterschichtenfolge, reichen. Das heißt, die aktive Zone kann die gleiche Breite aufweisen wie die Stromblendenschicht und die Stromblendenschicht sowie die aktive Zone können in Draufsicht gesehen deckungsgleich oder im Wesentlichen deckungsgleich verlaufen. Im Wesentlichen bedeutet beispielsweise mit einer Toleranz von höchstens 1 ym oder 0,5 ym oder 0,2 ym. Bei Halbleiterlasern mit einer
Stegwellenleiterstruktur dagegen liegt die aktive Zone üblicherweise unterhalb eines Stegwellenleiters und weist damit eine größere Breite auf als der Stegwellenleiter an sich .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich die
Stromblendenschicht zwischen der Wellenleiterschicht und der zugeordneten Mantelschicht oder zwischen einer der
Wellenleiterschichten und der zugeordneten Mantelschicht.
Sind zwei Stromblendenschichten vorhanden, so kann jeweils zwischen der zugehörigen Wellenleiterschicht und der
zugeordneten Mantelschicht eine entsprechende
Stromblendenschicht angeordnet sein.
Alternativ befindet sich die Stromblendenschicht in der
Mantelschicht oder an einer der aktiven Zone abgewandten Seite der Mantelschicht. Bevorzugt jedoch ist die
Stromblendenschicht an einer Seite der Mantelschicht
angebracht, die der aktiven Zone zugewandt ist. Weiterhin ist es möglich, dass sich die Stromblendenschicht in der
Wellenleiterschicht befindet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein Abstand zwischen der Stromblendenschicht und der aktiven Zone bei mindestens 0,5 ym oder 0,8 ym. Alternativ oder zusätzlich liegt dieser Abstand bei höchstens 2 ym oder 1,5 ym.
Insbesondere ist die Stromblendenschicht ungefähr 1 ym von der aktiven Zone entfernt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Stromblendenschicht eine geringe Dicke auf. Dies bedeutet insbesondere, dass die Dicke der Stromblendenschicht
mindestens 1 nm oder 10 nm oder 15 nm beträgt. Alternativ oder zusätzlich liegt die Dicke der Stromblendenschicht bei höchstens 100 nm oder 70 nm oder 50 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die
Stromblendenschicht im Zentralbereich aus einem III-V- Halbleitermaterial gebildet. In den Randbereichen umfasst die Stromblendenschicht eines oder mehrere III-Oxide,
insbesondere Aluminiumoxid und/oder Galliumoxid.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die
Stromblendenschicht im Zentralbereich eine andere mittlere Dicke auf als in den Randbereichen. Dabei ist ein
Dickenunterschied zwischen dem Zentralbereich und den
Randbereichen jedoch bevorzugt nur gering. Insbesondere liegt dieser Dickenunterschied bei höchstens 3 % oder 2 % oder 1 % der mittleren Dicke des Zentralbereichs. Beispielsweise liegt dieser Dickenunterschied bei mindestens 0,1 % oder 0,3 % der mittleren Dicke des Zentralbereichs.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die
Halbleiterschichtenfolge auf dem Materialsystem AlInGaAs, insbesondere auf AlGaAs, sodass dann kein Indium vorhanden ist. Die Stromblendenschicht ist im Zentralbereich bevorzugt aus Al]__zGazAs. Dabei ist z bevorzugt größer oder gleich 0,005 oder größer oder gleich 0,01. Alternativ oder
zusätzlich gilt, dass z höchstens 0,05 oder 0,03 oder 0,025 ist. Damit ist die Stromblendenschicht im Zentralbereich im Wesentlichen aus AlAs mit einem nur kleinen Ga-Anteil.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen direkt an die Stromblendenschicht angrenzende Schichten der Halbleiterschichtenfolge einen Aluminiumanteil von mindestens 5 % oder 10 % oder 20 % und/oder von höchstens 60 % oder 40 % oder 50 % auf. Solche an die Halbleiterschichtenfolge
angrenzenden Schichten sind insbesondere aus AlInGaAs oder aus AlGaAs . Diese Schichten können die Mantelschichten und/oder die Wellenleiterschichten darstellen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Halbleiterlaser Facetten auf. Die Facetten sind zur Reflexion und/oder zur Auskopplung einer im Betrieb erzeugten
Laserstrahlung eingerichtet. Die Facetten sind bevorzugt mittels Spalten der Halbleiterschichtenfolge erzeugt. Es ist möglich, dass an den Facetten Passivierungsschichten und/oder Schichten zur Einstellung einer Reflektivität vorhanden sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Facetten zumindest in einem Strahlungsauskopplungsbereich frei von elektrisch isolierenden Gebieten der Stromblendenschicht. Im Strahlungsauskopplungsbereich tritt die erzeugte
Laserstrahlung aus den Facetten aus.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erstrecken sich die Randbereiche der Stromblendenschicht längs der Resonatorachse in der Halbleiterschichtenfolge mit einer gleichbleibenden Breite. Alternativ ist es möglich, dass an den Facetten auch ein Randbereich der Stromblendenschicht vorliegt, sodass unmittelbar an den Facetten keine Bestromung der aktiven Zone erfolgt .
Bevorzugt jedoch ist die Facette im Zentralbereich frei von einem elektrisch isolierenden Gebiet der Stromblendenschicht, sodass eine eventuelle Strombefreiung der aktiven Zone an den Facetten insbesondere durch eine Geometrie der elektrischen Kontaktflachen erzielt sein kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Breite der Randbereiche der Stromblendenschicht gleich der
Mindestbreite. Dies gilt bevorzugt mit einer Toleranz von höchstens 1 ym oder 0,5 ym oder 0,2 ym. Das heißt, die elektrischen Kontaktflachen können seitlich bündig mit der Halbleiterschichtenfolge abschließen. Die elektrischen
Kontaktflachen oder zumindest eine der elektrischen
Kontaktflachen unmittelbar an der Halbleiterschichtenfolge sowie die Halbleiterschichten können in Draufsicht gesehen deckungsgleich oder näherungsweise deckungsgleich verlaufen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Breite der Randbereiche größer als die Mindestbreite. Das heißt, die Halbleiterschichtenfolge ist dann breiter als zumindest eine der elektrischen Kontaktflächen, insbesondere breiter als die elektrische Kontaktfläche direkt an der
Halbleiterschichtenfolge .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterlaser genau eine Stromblendenschicht. Die
Stromblendenschicht befindet sich dann bevorzugt in einem p- leitenden Bereich der Halbleiterschichtenfolge. Das heißt, die Stromblendenschicht kann sich zwischen der aktiven Zone und der als Anode gestalteten elektrischen Kontaktfläche befinden .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der
Halbleiterlaser genau zwei der Stromblendenschichten. Die aktive Zone befindet sich zwischen den Stromblendenschichten. Somit liegt eine der Stromblendenschichten in einem p- leitenden Gebiet der Halbleiterschichtenfolge und die andere der Stromblendenschichten in einem n-leitenden Gebiet der Halbleiterschichtenfolge .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt eine
Emissionswellenlänge oder Wellenlänge maximaler Intensität der im Betrieb vom Halbleiterlaser erzeugten Laserstrahlung bei mindestens 830 nm oder 840 nm und/oder bei höchstens 1,1 ym oder 1060 nm. Mit anderen Worten emittiert der
Halbleiterlaser im betrieb dann nahinfrarote Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Halbleiterlaser für einen Multimodenbetrieb eingerichtet.
Zusammengefasst ist durch die Kombination aus einer
Strukturkantenvermeidung und einer stromunabhängigen
Stromaufweitung aufgrund der Stromblendenschicht eine
Verbesserung der elektrooptischen Eigenschaften des hier beschriebenen infrarot emittierenden, gewinngeführten
Breitstreifenlasers möglich.
Darüber hinaus wird ein Herstellungsverfahren angegeben. Mit dem Herstellungsverfahren wird ein Halbleiterlaser gemäß einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen hergestellt. Merkmale des Herstellungsverfahrens sind daher auch für den Halbleiterlaser offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:
- epitaktisches Wachsen der Halbleiterschichtenfolge
inklusive der Stromblendenschicht,
- Erzeugen der Gräben beiderseits längs der Resonatorachse, sodass die Stromblendenschicht seitlich freigelegt wird, - Oxidieren der freigelegten Stromblendenschicht ausgehend von den Gräben, sodass die elektrisch isolierenden
Randbereiche gebildet werden und sodass die nicht-oxidierten, unmittelbar anschließenden Gebiete der Stromblendenschicht den elektrisch leitenden Zentralbereich bilden,
- Aufbringen der elektrischen Kontaktflachen, und
- Vereinzeln zu den Halbleiterlasern insbesondere mittels Ritzen und Brechen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt die Oxidation der Stromblendenschicht nasschemisch.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Oxidation der Stromblendenschicht bei einer Temperatur von mindestens
300 °C oder 350 °C durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Temperatur bei höchstens 600 °C oder 500 °C oder 450 °C.
Nachfolgend werden ein hier beschriebener Halbleiterlaser und ein hier beschriebenes Herstellungsverfahren unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß
dargestellt sein.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines
Verfahrensschritts zur Herstellung eines hier beschriebenen Halbleiterlasers, Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines
Verfahrensschritts zur Herstellung eines hier beschriebenen Halbleiterlasers,
Figur 3 eine schematische Draufsicht auf einen
Verfahrensschritt zur Herstellung eines hier beschriebenen Halbleiterlasers,
Figur 4 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Halbleiterlasers,
Figur 5 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Halbleiterlasers,
Figur 6 eine schematische Schnittdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines hier beschriebenen Halbleiterlasers,
Figur 7 eine schematische Draufsicht auf ein
Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen
Halbleiterlasers, und
Figur eine schematische Schnittdarstellung einer
Abwandlung eines Halbleiterlasers.
In den Figuren 1 bis 4 ist ein Herstellungsverfahren für einen Halbleiterlaser 1 illustriert. Gemäß Figur 1 wird auf einem Substrat 6 eine Halbleiterschichtenfolge 2 gewachsen. Das Substrat 6 ist beispielsweise ein n-dotiertes GaAs- Substrat. Direkt an dem Substrat 6 befindet sich optional eine Anwachsschicht 27. Entlang einer Wachstumsrichtung G weist die
Halbleiterschichtenfolge 2 eine Mantelschicht 23, eine
Wellenleiterschicht 22, eine aktive Zone 21, eine weitere Wellenleiterschicht 22 sowie eine weitere Mantelschicht 23 auf. Alle diese Schichten können aus AlGaAs sein und sind beispielsweise substratseitig n-dotiert und an einer der aktiven Zone 21 abgewandten Seite jeweils p-dotiert.
Hin zum Substrat 6 oder zur optionalen Anwachsschicht 27 kann die Halbleiterschichtenfolge 2 eine Pufferschicht 25
aufweisen. Die Pufferschicht 25 ist beispielsweise aus n- dotiertem GaAs . Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge an einer dem Substrat 6 abgewandten Seite eine Kontaktschicht 24 aufweisen. Die Kontaktschicht 24 kann eine Oberseite 20 der Halbleiterschichtenfolge bilden. Beispielsweise ist die Kontaktschicht 24 aus p-dotiertem GaAs, wobei eine relativ hohe Dotierstoffkonzentration vorliegen kann.
Außerdem umfasst die Halbleiterschichtenfolge 2 eine
Stromblendenschicht 3. Die Stromblendenschicht 3 befindet sich bevorzugt zwischen der p-seitigen Wellenleiterschicht 22 und der zugehörigen Mantelschicht 23 und grenzt direkt an diese Schichten an. Wie auch alle andere Schichten der
Halbleiterschichtenfolge 2 wird die Stromblendenschicht 3 bevorzugt als homogene, durchgehende und unstrukturierte Schicht über einen kompletten Wafer hinweg gewachsen.
Beispielsweise ist die Stromblendenschicht 3 aus p-dotiertem AlGaAs mit einem Ga-Anteil von 2 %. Das heißt, die
Stromblendenschicht 3 ist nahezu aus AlAs . Eine Dicke der Stromblendenschicht 3 ist bevorzugt nur gering und liegt insbesondere um 30 nm. Ein Abstand zwischen der Stromblendenschicht 3 und der aktiven Zone 21 ist dagegen relativ groß und liegt zum Beispiel bei ungefähr 1 ym.
Im Verfahrensschritt der Figur 2 ist illustriert, dass durch die Halbleiterschichtenfolge 2 hindurch bis in das
Aufwachssubstrat 6 Gräben 5 geformt werden. Die Gräben 5 können im Querschnitt gesehen V-förmig gestaltet sein. Durch die Gräben 5 wird die gemäß Figur 1 gewachsene
Stromblendenschicht 3 seitlich freigelegt, wie dies auch für alle anderen Schichten der Halbleiterschichtenfolge 2 gelten kann. Eine Breite der Gräben 5 an der Oberseite 20 liegt beispielsweise bei mindestens 2 ym oder 5 ym und/oder bei höchstens 20 ym oder 10 ym, insbesondere zwischen
einschließlich 5 ym und 10 ym.
Nachdem die Gräben 5 geformt sind, erfolgt ein Oxidieren der Stromblendenschicht 3 seitlich von den Gräben 5 her. Dieses Oxidieren erfolgt bevorzugt nasschemisch bei einer Temperatur von beispielsweise ungefähr 400 °C. Durch die Oxidation werden Randbereiche 33 gebildet, die sich von den Gräben 5 weg in Richtung hin zu einem nicht-oxidierten Zentralbereich 32 erstrecken. In dem Zentralbereich 32 bleibt die
Stromblendenschicht 3 elektrisch leitfähig. In den
Randbereichen 33 dagegen, die oxidiert sind, ist die
Stromblendenschicht 3 elektrisch isolierend oder zumindest erheblich in ihrer elektrischen Leitfähigkeit reduziert. Ein Übergang zwischen den Randbereichen 33 und dem Zentralbereich 32 in lateraler Richtung ist bevorzugt abrupt ausgebildet.
In Figur 3 ist eine Draufsicht auf den Wafer nach den
Verfahrensschritten der Figur 2 gezeigt. Die Gräben 5 erstrecken sich bevorzugt durchgehend entlang von späteren Resonatorachsen der vereinzelten Halbleiterlaser 1. Die Gräben 5 können somit auf dem Wafer durch gerade, durchgehende Strukturen über mehrere der späteren
Halbleiterlaser 1 hinweg gebildet sein. Zwischen benachbarten Gebieten der Halbleiterschichtenfolge 2 für die
Halbleiterlaser 1 befinden sich damit bevorzugt jeweils zwei der Gräben 5.
Die Gräben 5 sind in den fertigen Halbleiterlasern 1 dazu eingerichtet, parasitäre Moden wie Ringmoden zu unterdrücken. Dadurch weisen die Gräben 5 bevorzugt schräg zur
Wachstumsrichtung G verlaufende Seitenflächen auf, um nicht zur Verstärkung vorgesehene Strahlung aus der Ebene der aktiven Zone 21 weg zu reflektieren.
In Figur 4 ist der fertige Halbleiterlaser 1 dargestellt, nach dem elektrische Kontaktflächen 4 aufgebracht wurden und nach dem ein Vereinzeln zu den Halbleiterlasern 1
beispielsweise mittels Spalten zum Erzeugen von Facetten erfolgt ist. Wie auch in Figur 2 ist eine Resonatorachse senkrecht zur Zeichenebene der Figur 4 orientiert.
Die elektrische Kontaktfläche 4 an der Oberseite 20 der
Halbleiterschichtenfolge 2 ist vergleichsweise breit über die Halbleiterschichtenfolge 2 hinweg aufgebracht. Somit sind Strukturkanten im Bereich des bestromten Zentralbereichs 32 vermieden. Damit treten am Zentralbereich 32 keine oder keine signifikanten Verspannungen der Halbleiterschichtenfolge 2 auf, die durch Strukturkanten bedingt wären. Somit kann eine hohe Qualität der optischen Moden der emittierten
Laserstrahlung erzielt werden.
Eine Breite W des Zentralbereichs 32 liegt bevorzugt bei mindestens 100 ym und ist damit vergleichsweise breit. Eine unstrukturierte Mindestbreite M, die sich beiderseits an den Zentralbereich 32 anschließt, liegt bevorzugt zwischen einschließlich 5 ym und 10 ym. Damit ist die Mindestbreite M so groß, dass über die Mindestbreite M hinweg eine optische Entkopplung weg vom Zentralbereich 32 erfolgt. Mit anderen Worten ist die Mindestbreite M so groß gewählt, dass
Strukturen außerhalb der Mindestbreite M keinen signifikanten optischen Einfluss mehr auf die geführte Lasermode haben.
Gemäß Figur 4 sind die Randbereiche 33 breiter als die
Mindestbreite M. Dies bedeutet, dass die
Halbleiterschichtenfolge 2 über die Kontaktfläche 4 an der Oberseite 20 übersteht. Die Kontaktfläche 4 am Substrat 6 ist bevorzugt ganzflächig oder nahezu ganzflächig aufgebracht.
Die Kontaktflächen 4 sind beispielsweise je durch einen
Schichtenstapel aus mehreren metallischen Schichten gebildet. Da die Kontaktflächen 4 vergleichsweise großflächig
aufgebracht sind, erfolgt eine Einprägung von positiven
Ladungsträgern h und von negativen Ladungsträgern e in
Richtung hin zu aktiven Zone 21 ebenso relativ großflächig. Eine Konzentration der Ladungsträger e, h erfolgt aufgrund der Stromblendenschicht 3, die nur in dem Zentralbereich 32 hinreichend elektrisch leitfähig ist.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 5 ist illustriert, dass in den Gräben 5 zusätzlich eine Passivierung 8 angebracht ist. Die Passivierung 8 kann die Halbleiterschichtenfolge 2 an der Oberseite 20 stellenweise bedecken.
Es ist möglich, dass die Kontaktfläche 4 an der Oberseite 20 teilweise auf die Passivierung 8 reicht. Dadurch entsteht eine Kante 9 zwischen der entsprechenden Kontaktfläche 4 und der Passivierung 8. Diese Kante 9 ist jedoch mindestens eine Mindestbreite M von dem Zentralbereich 32 beabstandet, in Richtung senkrecht zur Wachstumsrichtung G und in Richtung senkrecht zu einer Resonatorachse R, die senkrecht zur
Zeichenebene verläuft, nicht gezeichnet. Durch die Kante 9 verursachte Verspannungen in der Halbleiterschichtenfolge 2 sind damit weit genug von dem Zentralbereich 32 entfernt, um noch einen Einfluss auf die Erzeugung der Laserstrahlung auszuüben .
Abweichend von der Darstellung in Figur 5 ist es möglich, dass die Kontaktflache 4 an der Oberseite 20 in lateraler Richtung bündig mit der Passivierung 8 abschließt oder dass diese Kontaktflache 4 beabstandet von der Passivierung 8 endet .
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 6 ist gezeigt, dass die Halbleiterschichtenfolge 2 sowie die Kontaktflache 4 an der Oberseite 20 bündig miteinander abschließen. Gleiches kann auch in den Ausführungsbeispielen der Figuren 4 und 5 gelten. Außerdem kann auch gemäß Figur 6 optional die Passivierung 8 vorhanden sein.
Weiterhin ist in Figur 6 illustriert, dass optional eine weitere Stromblendenschicht 3 vorhanden sein kann. Das heißt, die aktive Zone 21 kann sich zwischen den zwei
Stromblendenschichten 3 befinden.
Die Gräben 5 können im Querschnitt gesehen sich zum Substrat 6 hin trapezförmig verbreiternd gestaltet sein. Weiterhin ist es möglich, dass die Gräben 5 nicht bis in das Substrat 6 reichen. Dazu kann optional eine Ätzstoppschicht 28 in der Halbleiterschichtenfolge 2 vorhanden sein, beispielsweise direkt am Substrat 6.
In Figur 7 ist eine Draufsicht auf den Halbleiterlaser 1 gezeigt. Zu sehen ist, dass sich die Gräben 5 beiderseits einer Resonatorachse R erstrecken. Die Randbereiche 33 gehen von den Gräben 5 aus und erstrecken sich mit einer
gleichbleibenden Breite längs der gesamten Resonatorachse R und damit unmittelbar längs des Zentralbereichs 32. Die
Resonatorachse R wird durch Facetten 7 begrenzt. An einer der Facetten 7 tritt eine im Betrieb erzeugte Laserstrahlung L aus der Halbleiterschichtenfolge 2 aus.
Anders als in Figur 7 gezeichnet kann die Kontaktfläche 4 an der Oberseite 20 beabstandet von den Facetten 7 enden, um eine Bestromung direkt an den Facetten 7 zu verhindern oder zu reduzieren.
In Figur 8 ist eine Abwandlung 10 eines Halbleiterlasers gezeigt. In dieser Abwandlung 10 ist keine
Stromblendenschicht vorhanden. Eine laterale Strombegrenzung erfolgt über die Geometrie der Passivierungsschicht 8 und/oder der Kontaktschicht 4. Damit liegen die Kanten 9 in Draufsicht auf die Oberseite 20 gesehen unmittelbar an einem bestromten Bereich der aktiven Zone 21, in Figur 8
schematisch durch eine Ellipse gekennzeichnet. Durch diese Kanten 9 werden in der Halbleiterschichtenfolge 2 direkt am bestromten Bereich Verspannungen erzeugt. Hierdurch kann eine Polarisationsveränderung der Laserstrahlung an Rändern der bestromten Zone gegeben sein. Dies ist in vielen Anwendungen unerwünscht . Durch die Unterteilung der Stromblendenschicht 3 in den
Zentralbereich 32 sowie in die Randbereiche 33 werden in der Halbleiterschichtenfolge 2 zwar auch Verspannungen induziert, aufgrund der geringen Dicke haben diese Verspannungen jedoch nur einen geringen, vernachlässigbaren Einfluss.
Außerdem ist die Stromblendenschicht 3 derart dünn, dass effektiv keine Indexführung der Lasermode aufgrund der
Unterteilung der Stromblendenschicht 3 in den Zentralbereich 32 und in die Randbereiche 33 auftritt, sondern nur eine reine Gewinnführung vorliegt. Diese Gewinnführung ist jedoch stabiler, da durch die Nähe der Stromblendenschicht 3 zur aktiven Zone 21 eine Stromaufweitung nahezu unabhängig von einer Stromstärke wird. Ohne die Stromblendenschicht 3 dagegen erfolgt mit zunehmender Stromstärke eine zunehmende Aufweitung und Vergrößerung des bestromten Bereichs, was die emittierte Lasermode beeinflusst.
Die in den Figuren gezeigten Komponenten folgen, sofern nicht anders kenntlich gemacht, bevorzugt in der angegebenen
Reihenfolge jeweils unmittelbar aufeinander. Sich in den Figuren nicht berührende Schichten sind bevorzugt voneinander beabstandet. Soweit Linien parallel zueinander gezeichnet sind, sind die entsprechenden Flächen bevorzugt ebenso parallel zueinander ausgerichtet. Ebenfalls, soweit nicht anders kenntlich gemacht, sind die relativen Positionen der gezeichneten Komponenten zueinander in den Figuren korrekt wiedergegeben .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2018 123 019.2, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Die hier beschriebene 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 Ausführungsbeispielen angegeben ist .
Bezugszeichenliste
1 Halbleiterlaser
2 Halbleiterschichtenfolge
20 Oberseite der Halbleiterschichtenfolge
21 aktive Zone
22 Wellenleiterschicht
23 Mantelschicht
24 Kontaktschicht
25 Pufferschicht
27 Anwachsschicht
28 Ätzstoppschicht
3 Stromblendenschicht
32 Zentralbereich
33 Randbereich
4 elektrische Kontaktflache
5 Graben
6 Substrat
7 Facette
8 Passivierung
9 Kante
10 Abwandlung eines Halbleiterlasers e, h Ladungsträger
G Wachstumsrichtung
L Laserstrahlung
M Mindestbreite der Randbereiche
R Resonatorachse
W Breite des Zentralbereichs

Claims

Patentansprüche
1. Gewinngeführter Halbleiterlaser (1) mit einer
Halbleiterschichtenfolge (2) und mit elektrischen
Kontaktflachen (4), wobei
- die Halbleiterschichtenfolge (2) eine aktive Zone (21) zur Strahlungserzeugung, mindestens eine Wellenleiterschicht (22) an der aktiven Zone (21) und mindestens eine Mantelschicht (23) an der zumindest einen Wellenleiterschicht (22) umfasst,
- die Halbleiterschichtenfolge (2) ferner mindestens eine Stromblendenschicht (3) umfasst, die längs einer
Resonatorachse (R) des Halbleiterlasers (1) in einem
Zentralbereich (32) elektrisch leitend und in an den
Zentralbereich (32) direkt anschließenden Randbereichen (33) elektrisch isolierend ist,
- quer zur Resonatorachse (R) der Zentralbereich (32) eine Breite (W) von mindestens 10 ym und die Randbereiche (33) je mindestens eine Mindestbreite (M) aufweisen,
- die Mindestbreite (M) bei 3 ym oder mehr liegt, und
- in Draufsicht gesehen die Halbleiterschichtenfolge (2) sowie die elektrischen Kontaktflachen (4) im Zentralbereich (32) sowie zumindest bis zur Mindestbreite (M) in Richtung quer zur Resonatorachse (R) an einer der aktiven Zone (21) abgewandten Seite der Stromblendenschicht (3) beidseitig über den Zentralbereich (32) hinausgehend durchgehende Komponenten sind,
- sich beiderseits längs der Resonatorachse (3) je ein Graben (5) erstreckt und die Gräben (5) die Stromblendenschicht (3) seitlich freilegen und die gesamte Halbleiterschichtenfolge (2) bis zu einem Substrat (6) durchtrennen, und
- die Gräben (5) dazu eingerichtet sind, parasitäre Moden zu unterdrücken, sodass die Gräben (5) schräg zu einer Wachstumsrichtung (G) der Halbleiterschichtenfolge (2) verlaufende Seitenflächen aufweisen.
2. Halbleiterlaser (1) nach Anspruch 1,
bei dem sich die Stromblendenschicht (3) zwischen der oder einer der Wellenleiterschichten (22) und der zugeordneten Mantelschicht (23) befindet,
wobei ein Abstand zwischen der Stromblendenschicht (3) und der aktiven Zone (21) bei mindestens 0,5 ym liegt.
3. Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei dem die Stromblendenschicht (3) eine Dicke zwischen einschließlich 10 nm und 50 nm aufweist.
4. Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei dem die Stromblendenschicht (3) im Zentralbereich (32) aus einem III-V-Halbleitermaterial gebildet ist und in den Randbereichen (33) mindestens ein III-Oxid umfasst,
wobei die Stromblendenschicht (3) im Zentralbereich (32) eine andere mittlere Dicke aufweist als in den Randbereichen (33) , sodass ein Dickenunterschied zwischen dem Zentralbereich (32) und den Randbereichen (33) höchstens 2 % der mittleren Dicke des Zentralbereichs (32) beträgt.
5. Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei dem die Halbleiterschichtenfolge (2) auf dem
Materialsystem AlInGaAs basiert,
wobei die Stromblendenschicht (3) im Zentralbereich (32) aus Al]__zGazAs ist mit 0,01 d z < 0,03.
6. Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei dem an die Stromblendenschicht (3) direkt angrenzende Schichten (32, 33) der Halbleiterschichtenfolge (2) aus
AlGaAs sind und ein Aluminiumanteil in diesen Schichten (32, 33) je zwischen einschließlich 10 % und 50 % liegt.
7. Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei dem Facetten (7) der Halbleiterschichtenfolge (2) zur Reflexion und/oder zur Auskopplung einer im Betrieb erzeugten Laserstrahlung (L) in einem Strahlungsauskopplungsbereich frei von elektrisch isolierenden Gebieten der
Stromblendenschicht (3) sind, sodass die Randbereiche (33) der Stromblendenschicht (3) längs der Resonatorachse (R) eine gleichbleibende Breite aufweisen.
8. Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
bei dem eine Breite der Randbereiche (33) der
Stromblendenschicht (3) mit einer Toleranz von höchstens 0,5 ym gleich der Mindestbreite (M) ist, sodass zumindest eine der elektrischen Kontaktflachen (4) lateral bündig mit der Halbleiterschichtenfolge (2) abschließt.
9. Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine Breite der Randbereiche (33) der
Stromblendenschicht (3) größer ist als die Mindestbreite (M) , sodass die Halbleiterschichtenfolge (2) breiter ist als zumindest eine der elektrischen Kontaktflachen (4).
10. Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
der genau eine Stromblendenschicht (3) umfasst, wobei die Stromblendenschicht (3) sich in einem p-leitenden Bereich der Halbleiterschichtenfolge (2) befindet.
11. Halbleiterlaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der zwei der Stromblendenschichten (3) umfasst,
wobei sich die aktive Zone (21) zwischen den
Stromblendenschichten (3) befindet.
12. Halbleiterlaser (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dessen Emissionswellenlänge zwischen einschließlich 830 nm und 1,1 ym liegt,
wobei der Halbleiterlaser (1) für einen Multimodenbetrieb eingerichtet ist.
13. Herstellungsverfahren für einen Halbleiterlaser (1) nach einem der vorherigen Ansprüche mit den folgenden Schritten:
- epitaktisches Wachsen der Halbleiterschichtenfolge (2),
- Erzeugen der Gräben (5) beiderseits längs der
Resonatorachse (3) , sodass die Stromblendenschicht (3) seitlich freigelegt wird,
- Oxidieren der freigelegten Stromblendenschicht (3)
ausgehend von den Gräben (5) , sodass die elektrisch
isolierenden Randbereiche (33) gebildet werden,
- Aufbringen der elektrischen Kontaktflächen (4), und
- Vereinzeln zu den Halbleiterlasern (1) .
14. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
wobei die Oxidation der Stromblendenschicht (3) nasschemisch bei einer Temperatur zwischen einschließlich 300 °C und 500 °C durchgeführt wird.
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