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WO2011069769A2 - Laserdiodenanordnung und verfahren zum herstellen einer laserdiodenanordnung - Google Patents

Laserdiodenanordnung und verfahren zum herstellen einer laserdiodenanordnung Download PDF

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WO2011069769A2
WO2011069769A2 PCT/EP2010/067271 EP2010067271W WO2011069769A2 WO 2011069769 A2 WO2011069769 A2 WO 2011069769A2 EP 2010067271 W EP2010067271 W EP 2010067271W WO 2011069769 A2 WO2011069769 A2 WO 2011069769A2
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WO
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laser
laser diode
semiconductor substrate
layer
diodes
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PCT/EP2010/067271
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French (fr)
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Inventor
Martin Strassburg
Alfred Lell
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Opto Semiconductors Gmbh filed Critical Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority to US13/515,226 priority Critical patent/US20120287958A1/en
Publication of WO2011069769A2 publication Critical patent/WO2011069769A2/de
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Definitions

  • the present invention relates to a
  • Laser diode array with a semiconductor substrate, with laser stacks and ohmic contacts between the
  • Laser diodes are known from the prior art, the power densities of about 40000KW / cm 2 and beyond reach. At such high power densities there is a risk of irreparable damage to the laser facet, also called COD (catastrophic optical damage). So far, the facet load limit has been substantially reduced by the width of the laser facet.
  • laser array a laser bar
  • the present invention is based on the problem to provide a laser diode arrangement, with which the disadvantages described above are completely avoided or at least reduced. This problem is solved by a laser diode arrangement and a method for producing a laser diode arrangement according to independent claims 1 and 15, respectively.
  • Laser diode array with a semiconductor substrate on. At least two are on the semiconductor substrate
  • the laser stacks and the translucent ohmic contact are monolithic on the semiconductor substrate
  • laser diodes are formed, which have a two-dimensional structure.
  • the semiconductor substrate may be a III-V compound semiconductor material, in particular
  • nitride compound semiconductor material such as GaN.
  • the active zones may have pn junctions
  • Quantum well structure means quantum wells (3-dim), quantum wires (2-dim) and quantum dots (1-dim).
  • the active zone can be a
  • Be multiple quantum well structure it consists of
  • Layers each have a barrier layer. Each further barrier layer precedes the first active layer and follows the last active layer in the growth direction.
  • the active layers contain or consist of InGaN and are between about 0.8 nm and about 10 nm thick.
  • Quantum well structures contain or consist of
  • Al x In y Gai x - y N (O ⁇ x ⁇ l; 0 ⁇ yl) and are between 1 and 20 nm thick.
  • the monolithic growth means that the multiple laser stacks are grown on the same wafer.
  • no laser bars are superimposed, e.g. by soldering or gluing.
  • Liquid phase epitaxy grown on each other.
  • the translucent ohmic contact is particularly advantageous for surface emitting laser emitters (VCSEL Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers).
  • the translucent ohmic contact is lateral
  • the translucent ohmic contact has only a small optical absorption in the region of the laser wavelength.
  • the laser radiation is advantageously hardly weakened before exiting the laser diode array.
  • ITO indium tin oxide
  • ITO is a semi-conductive substance that is largely transparent in visible light. It is a mixed oxide, for example of 90% indium (III) oxide (In203) and 10% tin (IV) oxide (Sn02).
  • ITO is a semi-conductive substance that is largely transparent in visible light. It is a mixed oxide, for example of 90% indium (III) oxide (In203) and 10% tin (IV) oxide (Sn02).
  • the translucent ohmic contacts can be realized by a monolithic process as a tunnel diode.
  • the tunnel junction is also deposited during the epitaxial growth of the laser structures. He serves the electrical connection.
  • the tunnel junction comprises two highly doped layers of different conductivity type (n- or p-type).
  • the highly doped n-type layer has a doping of more than 5 x 10 cm ", preferably from about 1 x 10 cm and particularly preferably greater than 5 x 10 19 cm -3.
  • the highly doped p-type layer has a doping of greater than 1 x 10 19 cm -3, preferably from about 8 x 10 19 cm -3, and particularly preferably greater than 1, 5 x 10 20 cm -3.
  • These two layers are preferably, by at least one non-doped intermediate layer, for example made of AlGaN of one another
  • the laser diodes are separated by the
  • Tunnel junctions electrically connected in series.
  • the tunnel junction or tunnel junctions form particularly small potential barriers. This facilitates the tunneling of charge carriers between quantum wells. As a result, the charge carriers are distributed more homogeneously to the individual quantum wells. Also, by the
  • Tunnel transitions achieve less non-radiative recombination between electrons and holes in the active zones.
  • the following layer sequence may result in the tunnel junction:
  • p-type layers e.g. p-cladding layer
  • n-type layers e.g. n-cladding layer
  • the above-mentioned thin diffusion barrier has the
  • the highly doped p-type and / or highly doped n-type layers can be designed as superlattices.
  • Band gap is lower in the area of the diffusion barrier than in the area of the p-type and n-type layers. More preferably, the bandgap is less than that of
  • the tunnel junction has a particularly low
  • Tunnel probability can be achieved. This improves the current expansion. This gives a good one
  • Midgap states in the interlayer may consist of a single substance or consisting of: n-barrier and middle-layer and p-barrier).
  • the deep impurities of the tunnel junction can be caused by foreign atoms.
  • the charge carriers In the case of a semiconductor body without a tunnel junction, the charge carriers must be in the transition from the n-type
  • Inclusion layer in the active zone or from the p-doped confinement layer in the active zone overcome high energy potential barriers. In HL bodies with tunnel junction, such potential barriers hardly or hardly occur. The risk of non-radiative recombination of charge carriers is reduced, which is especially at high operating currents, i. at high
  • the tunnel junction allows the two
  • the laser diodes are stacked vertically to the semiconductor substrate.
  • the vertical distance between the laser diodes is less than about 20 m.
  • the vertical distance is less than about 5 ym, and more preferably less than about 1 ym.
  • transparent tunnel diodes vertical distances between laser diodes can be achieved which are smaller than the wavelength of the light emitted by the laser diodes. To this, too
  • the tunnel diodes thicknesses of less than 50 nm, preferably between 30nm and 5 nm on.
  • Vertical distances between laser diodes of less than 100 nm are achievable. In other words, the vertical distance of the laser diodes is significantly smaller than the wavelength of visible light (380 nm to 780 nm).
  • the thickness of the tunnel layer must be as small as possible and absorb the material of the tunnel layer as little as possible of the electromagnetic radiation emitted by the laser diode. Since the light passes through a laser resonator typically 2 to 10 times, the light passes through at one
  • a translucent tunnel layer means qualitatively that less laser radiation in the tunnel layer is absorbed as in the active zones
  • the absorption is proportional to exp (-ad) a is the absorption coefficient of a medium and d is the path length of the laser radiation in the medium
  • the absorption coefficient ⁇ is negative.
  • the gain factor is also called the gO factor
  • the absorption coefficient T is positive.
  • different active zones i may have different negative absorption coefficients ai.
  • the gain factor g0 corresponds to that
  • Amount of ai The active zones i are monolithically stacked. To achieve a translucent tunnel layer, the amount of the smallest must be
  • the light transmission of the tunnel layer can be defined as follows:
  • Gain factor gO given in InGaN lasers.
  • the gain factor gO is strongly dependent on the wavelength of the laser light. At a wavelength of over 500 nm, gO is about 300 / cm. For shorter wavelengths gO can also be over 1000 / cm.
  • the energy gap of the tunneling layer must be chosen to be larger than the energy emitted by the laser diodes
  • the energy can be adjusted via the indium content.
  • the larger the indium content the smaller the energy gap (band edge energy).
  • the laser diodes in the blue spectral range emit at about 466 nm.
  • Tunnel diode is absorbed, the indium content in the
  • InGaN material of the tunnel diode may be less than 22%.
  • Suitable materials for the translucent tunnel diode are, in addition to InGaN, the following ternary or quaternary ones
  • Tunnel layers but here the boron content must be chosen so that the crystalline integrity of the tunnel diode is preserved.
  • the energy gap of the above material systems can also be adjusted by using aluminum. The higher the aluminum content, the larger the energy gap.
  • the highest possible indium content is selected in order to provide as many free charge carriers as possible. With increasing indium content, the amount of incorporable into the crystal layer increases Dopant. Suitable dopants are, for example, magnesium and silicon. The more dopant is introduced, the more charge carriers are available. However, this only applies if the dopant on a
  • Grid space is installed.
  • Band gap (e.g., by increasing the indium concentration) also reduces the binding energy of the
  • Energy gap can be increased so far that no absorption occurs.
  • multiple layers in particular so-called superlattices, can be used.
  • InN and GaN layers can be used.
  • Layers are so thin, preferably less than 3 nm, that electronic coupling takes place between the layers. This allows individual layers to have a higher indium content and thus more free
  • Indium concentration is less than 22%.
  • the laser diodes are horizontal, or in other words parallel, to
  • the horizontal distance between the laser diodes is less than about 100 ⁇ .
  • the horizontal distance is less than about 20 ym, and more preferably less than 5 ym.
  • Emission wavelength of the electromagnetic radiation are, are particularly advantageous because it allows the light from different laser diodes temporally and spatially coherently emitted to each other.
  • the individual laser diodes are placed so close together that the wave fields overlap. Below one
  • Mode training, mode gain and mode suppression are considered.
  • monolithic, two-dimensional laser diode structure are the extremely high optical power density, at the same time reduced loading of the facets and the geometric properties of the emission surface, in Form of a two-dimensional extension. This allows the use of less complicated optical
  • Imaging systems i. for example a simple lens or a simple lens system.
  • better imaging properties result.
  • the radiation takes place from a largely centrically radiating
  • the present invention can be used to generate extreme luminous densities.
  • Two-dimensional laser diode arrays compared to the structure of conventional laser arrays with the same emission.
  • the layer facing the semiconductor substrate, which adjoins the active zone is an n-waveguide and the layer facing away from the semiconductor substrate, which adjoins the active zone, is a p-waveguide.
  • the layer facing away from the semiconductor substrate, which adjoins the active zone is a p-waveguide.
  • Layer sequence can be operated at high voltages but low drive current. However, it occurs unwanted quantum confined Stark effect, which distorts the course of the conduction and valence band. This results in a poor overlap of the wave functions of the charge carriers in the laser-active zones. This results in a high probability of non-radiative
  • the semiconductor substrate facing layer adjacent to the active region is a p-type waveguide and the layer remote from the semiconductor substrate adjacent to the active region is an n-type waveguide.
  • the p-layer has a high resistance.
  • the p-layer is doped with Mg atoms (acceptor) and the n-layer is doped with Si atoms (donor).
  • Mg atoms acceptor
  • Si atoms donor
  • the Mg atoms and the Si atoms are activated by thermal excitation or by an electron beam or by microwave excitation.
  • the Mg acceptors have a very high
  • Binding energy of 165 meV The Si donors are only bound to me with an energy of 50 meV.
  • the monolithic stacked laser diodes lead to
  • Laser bars of low height This allows better activation of the p-layers.
  • the activation with magnesium in the semiconductor systems A1N, InN and GaN and other broadband semiconductors depends strongly on the degree of hydrogen evolved.
  • the hydrogen hardly diffuses through n-layers.
  • the combination of stacked laser diodes and laser bars of low height gives the opportunity to drive off the hydrogen to the side. This drastically increases the degree of activation of the p-layers. This leads to a reduction of the ohmic losses in the vertically stacked
  • Hydrogen is removed by lateral diffusion and evaporation by side surfaces of the laser bars.
  • the hydrogen does not have to be removed by the upper n-type topcoat.
  • the laser diode array laser bars which serve to guide the laser radiation.
  • the active region is bounded laterally by refractive index jumps on a strip. This is called indexing.
  • the optical wave is guided in a waveguide and can only excite the induced emission therein.
  • Waveguide can be done by different layer thicknesses and / or layer sequences. There are different effective refractive indices inside and outside the strip. Sheath layers and
  • Waveguides form a kind of step index fiber. To improve the electrical confinement of the contact is additionally formed as a strip. In a
  • laser webs are formed, which conduct the laser radiation particularly well via an index guide.
  • Laser light can also spread profit-driven.
  • the active zone is laterally through the
  • Carrier injection is limited to a stripe (e.g., oxide stripe laser).
  • the contact is made through a window in an insulating oxide to the p-type
  • the carrier concentration is slightly raised so that the optical wave is concentrated by this current-induced waveguide to the area of greatest amplification. This is called active wave guidance.
  • the spatial limitation of the current path is effected by oxide windows.
  • gain guided lasers is the ease of manufacture, the high optical performance and the oscillation of many modes.
  • the advantages of index-guided laser diodes compared to gain-guided laser diodes are the generally lower threshold current.
  • the laser diode array on laser diodes the laser diode array on laser diodes
  • At least one first laser diode can emit electromagnetic radiation in the blue to UV spectral region and at least one second laser diode can emit electromagnetic radiation in the green to yellow region
  • At least one first laser diode can be electromagnetic
  • At least a second laser diode emit electromagnetic radiation in the green to yellow spectral range and
  • At least a third laser diode emit electromagnetic radiation in the red spectral range.
  • the active zone with the lowest indium content is first grown on the substrate.
  • the active zone with the highest indium content grew up last.
  • Laser diodes give rise to the following order of growth: First, the active zone from which the blue laser diode emerges on the substrate
  • laser diodes based on the material system InGaAlN are considered. According to the invention, laser diodes which emit in the UV range have a
  • Indium concentrations in the active zone between about 5% to about 10%.
  • the indium concentration in the active zone must be between about 15% to about 25%.
  • the indium concentration in the active zone is between about 25% to about 35%.
  • the yellow area is the
  • Indium concentration in the active zone between about 35% to about 45%. In the red area is the
  • Indium concentration of the active zone greater than about 45%, preferably between 45% and 60%.
  • the invention claims a method of making a laser diode array comprising the steps of:
  • the laser stacks are electrically conductively connected to each other by the ohmic contact and wherein laser diodes formed from the laser stacks form a two-dimensional structure.
  • FIG. 1 shows a first epitaxial structure
  • Figure 2 shows a second epitaxial structure
  • Figure 3 shows a third epitaxial structure
  • FIG. 4 shows a fourth epitaxy structure
  • FIG. 5 shows a first chip structure based on the first epitaxial structure of FIG. 1;
  • Figure 6 shows a second chip structure based on the first epitaxial structure of Figure 1;
  • Figure 7a shows a third chip structure based on the first epitaxial structure of Figure 1
  • Figure 7b shows the third chip structure of Figure 7a in a three-dimensional view based on the first epitaxial structure of Figure 1;
  • Figure 8 shows a fourth chip structure based on the first epitaxial structure of Figure 1;
  • FIG. 9 shows a fifth chip structure;
  • Figure 10a shows schematically the emission line of a
  • FIG. 10b schematically shows several emission lines with a rectangular envelope.
  • FIG. 10c shows schematically several emission lines with a Gaussian envelope.
  • FIG. 1 shows an epitaxial structure in which the
  • Tunnel diode 9 is arranged outside the cladding layers. It is a layer sequence with
  • Conventional polarity means that the p-layers 7, 8; 13, 14 each on the side facing away from the semiconductor substrate 2 sides of the two active zones 6, 12 follow. In other words, the p-layers 7, 8; 13, 14 after the active zone 6, 12 grown.
  • the n-doped semiconductor substrate 2 is followed in the growth direction by a buffer layer 3, a first n-cladding layer 4, a first n-waveguide 5, a first active zone 6, a first p-waveguide 7, a first p-cladding layer 8, a tunnel diode 9 , a second n-type cladding layer 10, a second n-type waveguide 11, a second active region 12, a second p-type waveguide 13, a second p-type cladding layer 14 and a p-type contact layer 15.
  • a first laser stack 17 comprises the first n-cladding layer 4, the first n-waveguide 5, the first active zone 6, the first p-waveguide 7 and the first p-cladding layer.
  • a second laser stack 18 includes the second n-type cladding layer 10, the second n-type waveguide 11, the second active region 12, the second p-type waveguide 13, and the second p-type cladding layer.
  • Conventional polarity means that at the
  • FIG. 2 shows an epitaxial structure in which, in contrast to FIG. 1, the tunnel diodes 107 and 111 are arranged within the cladding layers. As in FIG. 1, this is a layer sequence with conventional polarity.
  • the p-sides adjoin the tops of the active zones 105, 109 and 113.
  • the n-doped substrate 101 follows in
  • a buffer layer 102 an n-cladding layer 103, a first n-waveguide 104, a first active zone 105, a first p-waveguide 106, a first tunnel diode 107, a second n-waveguide 108, a second active zone 109, a second p-waveguide 110, a second tunnel diode 111, a third n-waveguide 112, a third active zone 113, a third p-type waveguide 114, a p-type cladding layer 115, a p-type contact layer 116.
  • a first laser stack 117 includes the n-type cladding layer 103, the first n-type waveguide 104, the first active region 105, and the first p-type waveguide 106
  • Laser stack 118 includes second n-waveguide 108, second active zone 109, and second p-waveguide 110.
  • a third laser stack 119 includes third n-waveguide 112, third active zone 113, third p-waveguide 114, and p Coat layer 115.
  • FIG. 3 shows an epitaxial structure in which the
  • Tunnel diodes 204 and 210 are arranged outside the cladding layers. It is a layer sequence with inverted polarity.
  • the layer facing the semiconductor substrate 201, which adjoins the active zone 207, 213, is a p-waveguide 206, 212
  • the layer sequence has a first one
  • FIG. 4 shows an epitaxial structure in which the first n-cladding layer 203, a first tunnel diode 204, a first p-cladding layer 205, a first p-waveguide 206, a first active zone 207, a first n-waveguide 208, follow in the growth direction on the semiconductor substrate 201.
  • FIG. 4 shows an epitaxial structure in which the first n-cladding layer 203, a first tunnel diode 204, a first p-cladding layer 205, a first p-waveguide 206, a first active zone 207, a first n-waveguide
  • Tunnel diode 304 is disposed outside of the cladding layers and wherein the second tunnel diode 309 is disposed within the cladding layers. As in FIG. 3, this is a layer sequence with inverted
  • the first tunnel diode 304 is mandatory
  • the substrate is n-type.
  • Semiconductor substrate 301 facing layer adjacent to the active region 307, 311 is a p-type waveguide 306, 310. The facing away from the semiconductor substrate 301
  • a buffer layer 302 Following on the semiconductor substrate 301 in the growth direction is a buffer layer 302, a first n-cladding layer 303, a first tunnel diode 304, a p-cladding layer 305, a first p-waveguide 306, a first active zone 307, a first n-waveguide 308, a second tunnel diode 309, a second p-type waveguide 310, a second active region 311, a second n-type waveguide 312, a second n-type cladding layer 313, and an n-type contact layer 314.
  • the first tunneling diode 304 is necessary when the first tunneling diode 304 is necessary when the first tunneling diode 304.
  • Semiconductor substrate 301 is n-type.
  • FIGS. 5 to 8 are based on the epitaxially grown layer sequence shown in FIG. 1, ie with two active zones 6 and 12 and with a tunnel diode 9, which are arranged outside the cladding layers 8, 10.
  • Figure 5 shows a first embodiment of a
  • the laser diode arrangement 20 has a semiconductor substrate 2, two laser stacks 17 and 18 each having an active zone 6 and 12 and an ohmic contact 9.
  • Laser stacks 17 and 18 and the ohmic contact 9 are monolithically grown on the semiconductor substrate 2.
  • the laser stacks 17 and 18 are electrically connected by the ohmic contact 9.
  • Laser diodes 26a, 26b, 27a and 27b formed from the laser stacks 17 and 18 form a two-dimensional structure.
  • the laser diodes 26 a, 26 b, 27 a and 27 b are stacked vertically to the semiconductor substrate 2.
  • the vertical distance between the laser diodes 26a, 26b, 27a, and 27b is less than about 20 ⁇ m, preferably less than about 5 ⁇ m, and more preferably less than about 1 ⁇ m.
  • the vertical distance between the laser diodes 26a, 26b, 27a and 27b is smaller than that
  • the ohmic contact 9 is formed as a tunnel diode and translucent. Furthermore, the laser diodes 26a, 26b, 27a and 27b are arranged horizontally, ie parallel to the semiconductor substrate 2. The horizontal distance between the
  • Laser diodes 26a, 26b, 27a and 27b is less than about 100 ⁇ , preferably less than about 20 ⁇ ⁇ and more preferably less than about 5 ym.
  • an n-contact metallization 25 is deposited on the exposed side of the semiconductor substrate.
  • the layer sequence p-contact layer 15, second p-type cladding layer 14 and second p-type waveguide 13 are e.g. structured by etching or lithography.
  • Structuring is stopped as close to the second active zone as possible, at least partially
  • a passivation 23 is applied to these layers. Above the laser webs 21 and 22, the passivation 23 is open for contacting reasons. A p-contact metallization 24 is deposited over the entire area. A first laser bar 21 and a second laser bar 22 are formed. In the second active zone 12, two laser diodes 26a and 26b are formed, which guide the laser light by means of an index guide. The second active zone 12 is laterally through a
  • Refractive index jump limited to a strip.
  • the refractive index jump is through the transition second active zone 12, second p-waveguide 13 and
  • Passivation 23 generated. In the lateral direction, a double heterostructure is built up, so that the active
  • Refractive index is surrounded.
  • the optical wave is guided in a waveguide and can only in the
  • the contact is formed as a strip.
  • two gain-guided laser diodes 27a and 27b are formed by laterally delimiting the active region 6 by the charge carrier injection.
  • the whole-area active zone 6 is laterally a gain profile proportional to the current density with which a reduction in the refractive index is connected.
  • the refractive index is slightly raised as a result of reduced carrier concentration, so that the optical wave is concentrated by this current-induced waveguide in the region of greatest amplification.
  • Luminous spots of the laser diodes to find This also applies to all following figures.
  • FIG. 6 shows a second exemplary embodiment of a chip structure 30 in a two-dimensional representation.
  • the chip structure 30 has two laser bars 21, 22.
  • FIG. 6 shows a chip structure in which the laser webs 21 and 22 extend from the p-contact metallization 24 all the way to the first n-waveguide 5. This cuts through the
  • the chip structure 30 has a first index-guided laser diode 36a, a second
  • the chip structure 30 enables better activation of the p-doped layers depending on the degree of hydrogen expelled. The p-conductivity increases. Through the activation step, the
  • Chip structures 30 can be manufactured with a lower forward voltage. Due to the deep etching of the chip structure 30 can
  • Hydrogen are driven out particularly good sideways.
  • FIG. 7 a shows a third exemplary embodiment of a chip structure 40 in a two-dimensional representation.
  • Figure 7a has a chip structure 40, wherein the refractive index jump is further shifted to the laser bars 21, 22 to the outside, as is the case in Figure 5 and Figure 6.
  • the chip structure has a first index-guided laser diode 46a and a second index-guided laser diode 46b.
  • Figure 7a has a first gain-guided laser diode 47a and a second gain-guided laser diode 47b.
  • FIG. 7b shows the exemplary embodiment of a chip structure from FIG. 7a in a three-dimensional representation.
  • the chip structure 40 has a first index-guided laser diode 46 a and a second
  • index-guided laser diode 46b index-guided laser diode 46b.
  • gain-guided laser diode 47b provided.
  • the laser diodes 46a, 46b, 47a and 47b and the associated light spots of the laser diodes are not separated
  • the laser diodes 46a, 46b, 47a and 47b have a three-dimensional extent, while the light spots only one
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of a chip structure 60 in a two-dimensional representation.
  • Chip structure 60 is exclusively profit-driven
  • Laser diodes 66a, 66b, 67a and 67b There is no refractive index jump. Such an arrangement is also referred to as oxide stripe laser. This arrangement is easy to manufacture and for high
  • Figure 9a shows a fifth embodiment of a
  • Chip structure 70a in a two-dimensional representation.
  • the chip structure 70a has exclusively gain-guided laser diodes. This arrangement is simple in the
  • the chip structure represents a monolithic growth
  • Light source that emits light in the green or yellow and blue spectral range at the same time.
  • Laser diodes 95a and 95b emit in the green or yellow spectral range and the laser diodes 96a and 96b
  • the layer sequence of the sixth embodiment is as follows: Starting layer is the
  • n-cladding layer 74 On the bottom of the n-contact metallization 71 is applied. On the upper side of the semiconductor substrate 72 is the buffer layer 73 grew up. This is followed in the growth direction by a first n-cladding layer 74, a first n-waveguide 75, a first active zone 76 emitting blue light, a first p-waveguide 77, a first p-cladding layer 78, a first tunnel diode 79, a second n-type cladding layer 80, a second n-type waveguide 81, a second active zone 82 emitting green or yellow light, a second p-type waveguide 83, a second p-type cladding layer 84, a heavily doped p-type contact layer 91, a
  • a white light source By a combination of blue and yellow laser light, a white light source can be generated. Alternatively, any other wavelength
  • FIG. 9b shows a sixth exemplary embodiment of a chip structure 70b in a two-dimensional representation.
  • the chip structure 70b has exclusively gain-guided laser diodes. This arrangement is simple in the
  • the chip structure represents a monolithic growth
  • the laser diodes 94a and 94b emit in the red spectral region; the Laser diodes 95a and 95b in the green spectral range and the laser diodes 96a and 96b in the blue spectral range.
  • the arrangement may be based on the simultaneous emission of laser light in all three primary colors on a single InGaAlN material system.
  • the arrangement may be based on the simultaneous emission of laser light in all three primary colors on a single InGaAlN material system.
  • the layer sequence of the sixth embodiment is as follows: Starting layer is the
  • n-cladding layer 74 On the bottom of the n-contact metallization 71 is applied. On the upper side of the semiconductor substrate 72, the buffer layer 73 is grown. This is followed in the growth direction by a first n-cladding layer 74, a first n-waveguide 75, a first active zone 76 emitting blue light, a first p-waveguide 77, a first p-cladding layer 78, a first tunnel diode 79, a second n-type cladding layer 80, a second n-type waveguide 81, a second green light emitting active zone 82, a second p-type waveguide 83, a second p-type cladding layer 84, a second tunneling diode 85, a third n-type cladding layer 86 third n-waveguide 87, a third red light emitting active zone 88, a third p-waveguide 89, a third p-cladding layer 90, a third,
  • the most indium-rich and thus temperature-sensitive active zone Red 88 is grown last.
  • the combination of blue, green and red laser light can be combined into a white light source providing a spot of extreme luminance.
  • Laser diodes are key components for RGB laser projection, where the laser wavelengths
  • Such a laser-based light source has because of the low radiating area and the limited
  • FIG. 10 a shows laser light 400 originating from a laser diode.
  • the laser diode has an active zone.
  • Each active zone has one or more quantum wells. Preferably, 2 to 5 quantum wells are used per active zone.
  • the quantum wells are through
  • the speckle pattern appears as a roughly granulated pattern of
  • Beam intensity For example, the
  • Half width for monochromatic blue light at about 450 nm 0.5 to 1.5 nm.
  • the emitted laser radiation would have to have a broader wavelength distribution than the typical values in the nm range or below.
  • FIG. 10b shows the emission of laser light with a larger spectral width than in FIG. 10a.
  • Laser light is composed of laser light coming from five different active zones connected by translucent tunnel layers.
  • the indium content varies between the
  • the active zones have specific differences in their emission wavelength. In Sum, this leads to a widened
  • Wavelength distribution of the emitted light For example, 2 to 20 different active zones with targeted wavelength differences between 0.5nm and 20nm may be stacked. With simultaneous operation, this leads to the desired broad
  • Wavelength distribution For example, the emission lines from the different active zones overlap such that an envelope 401 is generated at a center wavelength of 450 nm with a spectral width of about 4 to 20 nm.
  • the envelope 401 has a
  • FIG. 10c shows a laser emission with a larger spectral width than in FIG. 10a.
  • the laser light is composed of laser light, which comes from five different active zones, which are interconnected via translucent tunnel layers.
  • Figure 10b results for the
  • Intensity distribution as a function of the wavelength of an approximately Gaussian envelope can be achieved by making the center active zone more efficient than the outer active zones.
  • the laser diode array and the method of fabricating a laser diode array have been illustrated to illustrate the underlying idea
  • fourth index-guided laser diode 40 third embodiment of a chip structure
  • first n-waveguide 76 first active zone with emission of blue light
  • first tunnel diode 108 second n-waveguide

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Abstract

Es handelt sich um eine Laserdiodenanordnung mit - einem Halbleitersubstrat (2; 101; 201; 301; 72), - mindestens zwei Laserstapeln (17, 18;117, 118, 119; 217, 218; 317, 318; 97, 98, 99) mit jeweils einer aktiven Zone (6, 12; 105, 109, 113; 207, 213; 307, 311; 76, 82, 88) und - mindestens einem lichtdurchlässigen ohmschen Kontakt (9; 107, 111; 204, 210; 304, 309; 79, 85). Die Laserstapel (17, 18; 117, 118, 119; 217, 218; 317, 318; 97, 98, 99) und der lichtdurchlässige ohmsche Kontakt (9; 107, 111; 204, 210; 304, 309; 79, 85) sind monolithisch auf das Halbleitersubstrat (2; 101; 201; 301; 72) aufgewachsen. Die Laserstapel (17, 18; 117, 118, 119; 217, 218; 317, 318; 97, 98, 99) sind durch den lichtdurchlässigen ohmschen Kontakt (9; 107, 111; 204, 210; 304, 309; 79, 85) elektrisch leitend miteinander verbunden. Die aus den Laserstapeln (17, 18; 117, 118, 119; 217, 218; 317, 318; 97, 98, 99) gebildeten Laserdioden (26a, 26b, 27a, 27b; 36a, 36b, 37a, 37b; 46a, 46b, 47a, 47b; 66a, 66b, 67a, 67b; 94a, 94b, 95a, 95b, 96a, 96b) weisen eine zwei-dimensionale Struktur auf.

Description

LASERDIODENANORDNUNG UND VERFAHREN ZUM
HERSTELLEN EINER LASERDIODENANODNUNG
BESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Laserdiodenanordnung mit einem Halbleitersubstrat, mit Laserstapeln und ohmschen Kontakten zwischen den
Laserstapeln. Darüber hinaus ist ein Verfahren zum
Herstellen einer Laserdiodenanordnung angegeben.
Aus dem Stand der Technik sind Laserdioden bekannt, die Leistungsdichten von etwa 40000KW/cm2 und darüber hinaus erreichen. Bei solch hohen Leistungsdichten besteht die Gefahr eines irreparablen Schaden an der Laserfacette, auch COD (Catastrophic optical damage) genannt. Bisher wurde die Facettenbelastungsgrenze im Wesentlichen dadurch verringert, dass die Breite des
lichtemittierenden Bereichs vergrößert wird oder
alternativ mehrere lichtemittierende Streifen
nebeneinander auf einem Laserbarren angeordnet werden (sog. Laser-Array) .
Es ist dabei oft problematisch, dass die eindimensionale Verbreiterung der Emissionsfläche zu einer stark
asymmetrischen Laser-Emission führt, die nur mit Hilfe aufwendiger Linsensysteme oder gar nicht mehr fokussiert werden kann. Eine Bündelung zu einer hohen optischen Ausgangsleistung ist damit nicht mehr uneingeschränkt möglich. Zudem begrenzt hierbei das Etendu der
Laseremission die optischen Abbildungseigenschaften empfindlich. Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Laserdiodenanordnung bereitzustellen, mit dem die oben beschriebenen Nachteile gänzlich vermieden oder zumindest verringert werden. Dieses Problem wird durch eine Laserdiodenanordnung und ein Verfahren zur Herstellung einer Laserdiodenanordnung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 bzw. 15 gelöst.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Laserdiodenanordnung bzw. des Verfahrens zur Herstellung einer Laserdiodenanordnung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
Beispielhafte Ausführungsformen
Verschiedene Ausführungsformen weisen eine
Laserdiodenanordnung mit einem Halbleitersubstrat auf. Auf dem Halbleitersubstrat sind mindestens zwei
Laserstapel mit jeweils einer aktiven Zone aufgebracht. Weiterhin sind lichtdurchlässige ohmsche Kontakte
vorgesehen, um die Laserstapel elektrisch zu verbinden. Die Laserstapel und der lichtdurchlässige ohmsche Kontakt sind monolithisch auf das Halbleitersubstrat
aufgewachsen. Aus den Laserstapeln sind Laserdioden gebildet, die eine zweidimensionale Struktur aufweisen.
Das Halbleitersubstrat kann ein III-V- Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere ein
Nitridverbindungshalbleitermaterial wie GaN aufweisen.
Die aktiven Zonen können pn-Übergänge,
Doppelheterostruktur, Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW) , Einfach-Quantentopfstruktur (SQW) sein.
Quantentopfstruktur bedeutet: Quantentöpfe (3-dim) , Quantendrähte (2-dim) und Quantenpunkte (1-dim) .
Die Stromeinprägung in den aktiven Bereich erfolgt durch eine p-dotierte Schicht und durch eine n-dotierte
Schicht .
Wie oben beschrieben, kann die aktive Zone eine
Mehrfachquantentopfstruktur sein. Sie besteht aus
mehreren aktiven Schichten. Zwischen den aktiven
Schichten liegt jeweils eine Barriereschicht. Jeweils eine weitere Barriereschicht geht der ersten aktiven Schicht voraus und folgt der letzten aktiven Schicht in Wachstumsrichtung nach. Die aktiven Schichten enthalten oder bestehen aus InGaN und sind zwischen etwa 0,8 nm und etwa 10 nm dick. Die Barriereschichten zwischen den
Quantentopfstrukturen enthalten oder bestehen aus
AlxInyGai-x-yN (O^x^l; 0^y l)und sind zwischen 1 und 20 nm dick .
Das monolithische Wachstum bedeutet, dass die mehreren Laserstapel auf demselben Wafer aufgewachsen sind.
Insbesondere werden keine Laserbarren übereinander angebracht, z.B. durch Löten oder Kleben.
In der vorliegenden Erfindung werden die Schichtenfolgen durch Molekularstrahlepitaxie oder metallorganischer Gasphasenepitaxie oder Gasphasenepitaxie oder
Flüssigphasenepitaxie aufeinander aufgewachsen.
Das monolithische Wachstum der Laserstapel ist
vorteilhaft, da dadurch besonders kleine Abstände der Laserdioden realisiert werden können. Ohne monolithisches Wachstum wären Anordnungen aus Laserdioden auf einen vertikalen Mindestabstand der Laserdioden voneinander von etwa 100 ym beschränkt. Dieser Mindestabstand rührt von der minimal zu verarbeitenden Dicke der
Laserdiodenstrukturen her. Dieser hohe Abstand der vertikal übereinander angeordneten Laserdiodenstrukturen begrenzt die maximal erreichbare optische Leistungsdichte und auch das Etendu.
Der lichtdurchlässig ohmsche Kontakt ist besonders vorteilhaft für Oberflächen emittierende Laser Emitter (VCSEL Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) . Der lichtdurchlässige ohmsche Kontakt ist bei lateraler
Lichtausbreitung in einem Lasermedium unvermeidlich. Der lichtdurchlässige ohmsche Kontakt weist im Bereich der Laserwellenlänge nur eine geringe optische Absorption auf. Die Laserstrahlung wird vorteilhafter Weise vor dem Austritt aus der Laserdiodenanordnung kaum geschwächt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der
Laserdiodenanordnung weist der lichtdurchlässige ohmsche Kontakt Indiumzinnoxid, ITO (engl . : indium tin oxid) , auf. ITO ist ein halbleitender im sichtbaren Licht weitgehend transparenter Stoff. Es ist ein Mischoxid, beispielsweise aus 90% Indium (III) -oxid (In203) und 10% Zinn ( IV) -oxid (Sn02) . In einer bevorzugten Ausführungsform der
Laserdiodenanordnung können die lichtdurchlässigen ohmschen Kontakte durch einen monolithischen Prozess als Tunneldiode realisiert sein. Der Tunnelübergang wird während des epitaktischen Wachstums der Laserstrukturen mit abgeschieden. Er dient der elektrischen Verbindung. Der Tunnelübergang umfasst zwei hochdotierte Schichten unterschiedlichen Leitungstyps (n- bzw. p-leitend) . Die hochdotierte n-Typ-Schicht weist eine Dotierung von größer 5 x 10 cm" , vorzugsweise von etwa 1 x 10 cm und besonders bevorzugt von größer 5 x 1019 cm-3 auf. Die hochdotierte p-Typ-Schicht weist eine Dotierung von größer 1 x 1019 cm-3, vorzugsweise von etwa 8 x 1019 cm'3 und besonders bevorzugt von größer 1 , 5 x 1020 cm-3 auf. Diese zwei Schichten sind durch mindestens eine bevorzugt undotierte Zwischenschicht, z.B. aus AlGaN voneinander getrennt. Die Laserdioden werden durch die
Tunnelübergänge elektrisch in Reihe geschaltet. Der Tunnelübergang bzw. die Tunnelübergänge bilden besonders geringe Potentialbarrieren. Dies erleichtert das Tunneln von Ladungsträgern zwischen Quantentöpfen. Als Folge werden die Ladungsträger homogener auf die einzelnen Quantentöpfe verteilt. Auch wird durch die
Tunnelübergänge erreicht, dass weniger nichtstrahlende Rekombinationen zwischen Elektronen und Löchern in den aktiven Zonen erfolgen.
In Wachstumsrichtung kann sich zum Beispiel folgende Schichtenfolge im Tunnelübergang ergeben:
- p-Typ-Schichten, z.B. p-Mantelschicht
- hochdotierte p-Schicht, bevorzugt aus ternärer
Verbindung, besonders bevorzugt aus InGaN
- Diffusionsbarriere, möglichst dünn, bevorzugt
quaternär, z.B. AlInGaN
- hochdotierte n-Schicht, bevorzugt aus ternärer
Verbindung, besonders bevorzugt aus InGaN
- n-Typ-Schichten, z.B. n-Mantelschicht
Im Anschluss daran folgt mindestens eine aktive Zone. Die oben genannte dünne Diffusionsbarriere hat die
Aufgabe, die Dotieratome der jeweiligen Schichten zu trennen .
Die hochdotierten p-Typ- und/oder hochdotierten n-Typ- Schichten können als Übergitter ausgelegt sein. Die
Bandlücke ist im Bereich der Diffusionsbarriere geringer als im Bereich der p-Typ- und n-Typ Schichten. Besonders bevorzugt ist die Bandlücke geringer als die der
hochdotierten p-Typ- und n-Typ-Schichten . Der Abstand zwischen den Bereichen hoher
Ladungsträgerdichten (Elektronen und Löcher) sind gering: Der Tunnelübergang hat einen besonders geringen
elektrischen Widerstand. Es kann zugleich eine hohe
Ladungsträgerdichte und eine hohe
Tunnelwahrscheinlichkeit erzielt werden. Dadurch wird die Stromaufweitung verbessert. Dies ergibt eine gute
laterale Stromverteilung und Stromeinkopplung
(=Einkopplung von Ladungsträger) in die
Halbleiterschichtenfolge. Dadurch wird die Effizienz des Bauteils erhöht und eine lokale Erwärmung durch einen zu großen Stromfluss in der Halbleiterschichtenfolge
vermieden .
In einer bevorzugten Ausführungsform können tiefe
Störstellen (midgap states) in der Zwischenschicht (kann aus einer einheitlichen Substanz oder aus: n-Barriere und Mittelschicht und p-Barriere bestehen) hervorgerufen werden. Die tiefen Störstellen des Tunnelübergangs können durch Fremdatome hervorgerufen werden.
Im Gegensatz zu den üblichen Dotierstoffen (Si, Mg) haben derartige Fremdatome den Vorteil, dass sie elektronische Zustände erzeugen, die energetisch etwa in der Mitte der Bandlücke der Zwischenschicht angeordnet sind.
Diese Störstellen erleichtern den Ladungsträgern das Durchtunneln der Zwischenschicht. Dadurch ist die
Effizienz des Tunnelübergangs gegenüber einem
Tunnelübergang ohne gezielt eingebrachte Störstellen verbessert .
Beim Halbleiterkörper ohne Tunnelübergang müssen die Ladungsträger beim Übergang von der n-leitenden
Einschlussschicht in die aktive Zone bzw. von der p- dotierten Einschlussschicht in die aktive Zone hohe energetische Potentialbarrieren überwinden. Bei HL-Körper mit Tunnelübergang treten solche Potentialbarrieren nicht oder kaum auf. Die Gefahr einer nicht strahlenden Rekombination von Ladungsträgern ist verringert, was besonders bei hohen Betriebsströmen, d.h. bei hohen
Ladungsträgerkonzentrationen, die Effizienz erhöht.
Bei Halbleiterkörpern mit Mehrfachquantentopfstruktur und Tunnelübergang tragen mehrere aktive Schichten zur
Strahlungsemission bei.
Der Tunnelübergang ermöglicht es, die beiden
gegenüberliegenden Kontakte des Halbleiterchips aus n- leitendem Halbleitermaterial herzustellen. Damit kann das Problem der geringen p-Leitfähigkeit von Nitrid- Verbindungs-Halbleitern umgangen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der
Laserdiodenanordnung sind die Laserdioden vertikal zum Halbleitersubstrat gestapelt. Durch einen monolithischen Wachstumsprozess kann erreicht werden, dass der vertikale Abstand zwischen den Laserdioden kleiner als etwa 20 m ist. Bevorzugt ist der vertikale Abstand kleiner als etwa 5 ym und besonders bevorzugt kleiner als etwa 1 ym. Durch den Einsatz von lichtdurchlässigen Tunneldioden, lassen sich vertikale Abstände zwischen Laserdioden erzielen, die kleiner als die Wellenlänge des von den Laserdioden emittierten Lichtes sind. Um dies zu
erreichen weisen die Tunneldioden Dicken von weniger als 50 nm, bevorzugt zwischen 30nm und 5 nm, auf. Vertikale Abstände zwischen Laserdioden von weniger als 100 nm sind erreichbar. Mit anderen Worten ist der vertikale Abstand der Laserdioden deutlich kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts (380 nm bis 780 nm) . Die Wellenfelder der Strahlung aus zwei durch eine Tunnelschicht
getrennten Laserdioden können in die Tunnelschicht eindringen. Die Strahlung von mehreren aktiven Zonen kann somit gekoppelt werden. Zur Vermeidung von
Absorptionsverlusten in der Tunnelschicht muss die Dicke der Tunnelschicht möglichst klein sein und das Material der Tunnelschicht die von den Laserdioden emittierte elektromagnetische Strahlung möglichst wenig absorbieren. Da das Licht einen Laserresonator typischerweise 2 bis 10-Mal durchläuft, durchläuft das Licht bei einer
maximalen Länge des Laserresonators von etwa 2 mm eine Strecke von bis zu 20 mm. Ein nutzbares Ausgangssignal ist deshalb nur erreichbar, wenn die Absorptionsverluste in der Tunnelschicht minimal sind, vorzugsweise
verschwinden . Eine lichtdurchlässige Tunnelschicht bedeutet qualitativ, dass weniger Laserstrahlung in der Tunnelschicht absorbiert wird, als in den aktiven Zonen durch
induzierte Emission erzeugt wird. Die Absorption ist proportional zu exp ( -ad) a ist der Absorptionskoeffizient eines Mediums und d die Weglänge, die die Laserstrahlung in dem Medium
zurücklegt. In den Laserlicht verstärkenden aktiven Zonen ist der Absorptionskoeffizient α negativ. Anders
ausgedrückt handelt es sich um einen Verstärkungsfaktor. Der Verstärkungsfaktor wird auch als gO-Faktor
bezeichnet. In den Laserlicht absorbierenden
Tunnelschichten ist der Absorptionskoeffizient T positiv. Dabei können verschiedene aktive Zonen i verschiedene negative Absorptionskoeffizienten ai aufweisen. Der Verstärkungsfaktor gO entspricht dem
Betrag von ai . Die aktiven Zonen i sind monolithisch gestapelt. Um eine lichtdurchlässige Tunnelschicht zu erreichen, muss der Betrag des kleinsten
Verstärkungsfaktors aimin aus allen aktiven Zonen i größer sein als der Betrag des Absorptionskoeffizienten der Tunnelschichten aT . Die Lichtdurchlässigkeit der Tunnelschicht kann wie folgt definiert werden:
I aimin | > | aT | .
Bevorzugt ist | aimin | > 10 x | aT | . Besonders bevorzugt ist | aimin | > 100 x | aT | .
Beispielsweise seien einige Zahlenwerte für den
Verstärkungsfaktor gO in InGaN Lasern angegeben. Der Verstärkungsfaktor gO ist stark von der Wellenlänge des Laserlichts abhängig. Bei einer Wellenlänge von über 500 nm liegt gO bei etwa 300/cm. Bei kürzeren Wellenlängen kann gO auch über 1000/cm betragen.
Um eine lichtdurchlässige Tunnelschicht gemäß obigen Bedingungen zu erreichen, muss die Energielücke der Tunnelschicht so gewählt werden, dass sie größer ist als die Energie der von den Laserdioden emittierten
Strahlung. Bei InGaN-Verbindungshalbleitern kann die Energie über den Indiumgehalt eingestellt werden. Je größer der Indiumgehalt ist, desto kleiner wird die Energielücke (Bandkantenenergie) . Beispielsweise bei einem Indiumgehalt von 22% und einem Galliumgehalt von 78% in der aktiven Zone emittieren die Laserdioden im blauen Spektralbereich bei etwa 466 nm. Damit das blaue Licht, das im Laserresonator umläuft, nicht in der
Tunneldiode absorbiert wird, muss der Indiumgehalt im
InGaN-Material der Tunneldiode kleiner als 22% sein. Als Materialien für die lichtdurchlässige Tunneldiode eignen sich neben InGaN folgende ternäre bzw. quaternäre
Materialsysteme mit hexagonaler Kristallstruktur: AlGaN, AlInN, AlInGaN ((AI, Ga, In)N) . Auch BorNitrid- Verbindungen ( (AI , Ga, In, B) ) eignet sich für
Tunnelschichten, jedoch muss hier der Borgehalt so gewählt werden, dass die kristalline Integrität der Tunneldiode gewahrt bleibt. Auch durch den Einsatz von Aluminium kann die Energielücke obiger Materialsysteme eingestellt werden. Je höher der Aluminiumgehalt desto größer ist die Energielücke. In besonders vorteilhafter Weise wird ein möglichst hoher Indiumgehalt gewählt um möglichst viele freie Ladungsträger zur Verfügung zu stellen. Mit zunehmendem Indiumgehalt erhöht sich auch die Menge des in die Kristallschicht einbaubaren Dotierstoffs. Als Dotierstoff eignen sich beispielsweise Magnesium und Silizium. Je mehr Dotierstoff eingebracht ist, desto mehr Ladungsträger stehen zur Verfügung. Dies gilt jedoch nur, wenn der Dotierstoff auf einem
Gitterplatz eingebaut ist. Durch ein Absenken der
Bandlücke (z.B. durch Erhöhen der Indiumkonzentration) reduziert sich zudem die Bindungsenergie der
Dotierstoffe. Dadurch erhöht sich nochmals die Anzahl freier Ladungsträger. Durch einen hohen Indiumgehalt wäre jedoch die Energielücke in der Tunneldiode so gering, dass Laserstrahlung in der Tunneldiode absorbiert werden würde. Durch Einsatz von z.B. Aluminium kann die
Energielücke so weit vergrößert werden, dass doch keine Absorption auftritt. Alternativ zur Einstellung der Ladungsträgerkonzentration und der Größe der Energielücke durch geeignete Wahl der Indium- bzw. Aluminium Konzentration im Material der Tunnelschicht können Mehrfachschichten insbesondere sogenannte Übergitter verwendet werden. Beispielsweise können InN- und GaN-Schichten verwendet werden. Die
Schichten sind so dünn, vorzugsweise kleiner als 3 nm, dass eine elektronische Kopplung zwischen den Schichten stattfindet. Dies ermöglicht es, dass einzelne Schichten einen höheren Indiumgehalt und damit mehr freie
Ladungsträger aufweisen, ohne dass es zu
Absorptionsverlusten in der Tunnelschicht kommt. Im
Beispiel von Oben dürften einige Schichten einen
Indiumgehalt von mehr als 22% aufweisen, wenn insgesamt die über die gesamte Tunnelschicht gemittelte
Indiumkonzentration kleiner als 22% ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Laserdioden horizontal, oder mit anderen Worten parallel, zum
Halbleitersubstrat angeordnet. Durch einen monolithischen Wachstumsprozess kann erreicht werden, dass der
horizontale Abstand zwischen den Laserdioden kleiner als etwa 100 μιη ist. Bevorzugt ist der horizontale Abstand kleiner als etwa 20 ym und besonders bevorzugt kleiner als 5 ym.
Die kleinen Abstände der monolithisch gewachsenen
Laserdioden, die in der Größenordnung der
Emissionswellenlänge der elektromagnetischen Strahlung liegen, sind besonders vorteilhaft, da dadurch das Licht aus verschiedenen Laserdioden zeitlich und räumlich kohärent zueinander emittiert werden kann. Die einzelnen Laserdioden sind so dicht nebeneinander platziert, dass sich die Wellenfelder überlappen. Unterhalb eines
Abstandes der Laserdioden von etwa 15 ym ist dies möglich. In diesem Fall erfolgt eine Phasenkopplung der Einzelemissionen, so dass eine kohärente Strahlung ähnlich einem Einzellaser ausgesendet wird. Dadurch ergeben sich weitere Freiheitsgrade und Möglichkeiten für die Wechselwirkung zwischen den Lichtwellen, die von den einzelnen Laserdioden der zweidimensionalen Struktur emittiert werden. Als Wechselwirkung kommen
Modenausbildung, Modenverstärkung und Modenunterdrückung in Betracht.
Vorteilhafte Eigenschaften der vorliegenden
monolithischen, zweidimensionalen Laserdiodenstruktur sind die extrem hohe optische Leistungsdichte, bei gleichzeitig verringerter Belastung der Facetten sowie die geometrischen Eigenschaften der Emissionsfläche, in Form einer zweidimensionalen Ausdehnung. Dies ermöglicht die Verwendung weniger komplizierter optischer
Abbildungssysteme, d.h. zum Beispiel eine einfache Linse oder ein einfaches Linsensystem. Zudem ergeben sich bessere Abbildungseigenschaften. Die Abstrahlung erfolgt aus einer weitgehend zentrisch abstrahlenden
Laserlichtquelle mit einem Aspekt-Verhältnis nahe 1.
Daraus ergeben sich Vorteile im Abbildungsverhalten.
Besonders vorteilhaft kann die vorliegende Erfindung zur Erzeugung extremer Leuchtedichten eingesetzt werden.
Weiterhin vorteilhaft sind die geringen
Herstellungskosten (Epitaxie, Prozessierung und
Packaging) für die monolithisch integrierten
zweidimensionalen Laserdiodenanordnungen im Vergleich zum Aufbau von herkömmlichen Laserarrays mit gleich starker Emission .
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die dem Halbleitersubstrat zugewandte Schicht, die an die aktive Zone angrenzt, ein n-Wellenleiter und die vom Halbleitersubstrat abgewandte Schicht, die an die aktive Zone angrenzt, ein p-Wellenleiter . Mit anderen Worten folgt in Wachstumsrichtung auf das Substrat eine n- Schicht, darauf eine aktive Zone und darauf wiederum eine p-Schicht. Diese Reihenfolge wird auch als herkömmliche Polarität bezeichnet. Das Aufbringen der Schichtenfolge kann mehrfach wiederholt werde. Vorteilhaft ist es, dass mit dieser Epitaxiestruktur besonders kleine Abstände zwischen den Laserdioden realisiert werden können.
Monolithisch gewachsene Bauteile mit obiger
Schichtenfolge können bei hohen Spannungen aber niedrigem Ansteuerungsstrom betrieben werden. Es tritt jedoch der unerwünschte quantenconfined Stark-Effekt auf, der den Verlauf des Leitungs- und Valenzbandes verzerrt. Dadurch entsteht ein schlechter Überlapp der Wellenfunktionen der Ladungsträger in den laseraktiven Zonen. Daraus folgt eine hohe Wahrscheinlichkeit für nichtstrahlende
Rekombination .
Vorteilhafter Weise ist die dem Halbleitersubstrat zugewandte Schicht, die an die aktive Zone angrenzt, ein p-Wellenleiter und die vom Halbleitersubstrat abgewandte Schicht, die an die aktive Zone angrenzt, ein n- Wellenleiter . Mit anderen Worten folgt in
Wachstumsrichtung auf das Substrat eine p-Schicht, darauf eine aktive Zone und wiederum darauf eine n-Schicht. In diesem Zusammenhang spricht man auch von invertierter Polarität oder polaritätsinvertierte Laserdiode (PILD) . Die Laserdiodenanordnung mit obiger Schichtenfolge kann bei hohen Spannungen und niedrigem Ansteuerungsstrom betrieben werden. Das bei invertierter Polarität
auftretende interne piezoelektrische Feld, das
insbesondere in Kristallen mit einer polaren Struktur (z.B. Wurzit-Struktur) wie GaN auftritt, kompensiert zumindest teilweise andere Felder, insbesondere auch externe Felder. Dadurch wird die Ladungsträgerinjektion in die aktive Zone verbessert; es können mehr
Ladungsträger in der aktiven Zone eingefangen werden. Die interne Quanteneffizienz ist nur noch geringfügig von der Stromdichte abhängig. Weiter wird durch die im Vergleich zu n-Schichten geringere Querleitfähigkeit der p- Schichten die ungewollte laterale Stromaufweitung
deutlich reduziert. Die elektrischen Verluste sind reduziert. Die geringere Querleitfähigkeit der p- Schichten erklärt sich wie folgt: Im Vergleich zu n- Schichten ist die p-Schicht hochohmig. Die p-Schicht wird mit Mg-Atomen (Akzeptor) dotiert und die n-Schicht wird mit Si-Atomen (Donator) dotiert. Bei einer Dotierung durch Mg-Atomen mit 1020 cm-3 ergibt sich eine
Löcherkonzentration von nur ~1018 cm-3. Die Mg-Atome und die Si-Atome werden durch thermische Anregung oder durch einen Elektronenstrahl oder durch Mikrowellenanregung aktiviert. Die Mg-Akzeptoren weisen eine sehr hohe
Bindungsenergie von 165 meV auf. Die Si-Donatoren sind nur mir einer Energie von 50 meV gebunden.
Die laterale Stromaufweitung führt zu einer Undefinierten Strom- und Leistungsabhängigen Verbreiterung der
Strominjektion. Die Folge ist eine unkontrollierte
Verbreiterung der Leuchtflecke und damit eine verringerte Leuchtdichte. Der Betriebsstrom muss erhöht werden, da ansonsten am Rande des Undefinierten, stromverbreiterten Bereichs keine Besetzungsinversion erreicht wird.
Die monolithisch gestapelten Laserdioden führen zu
Laserbarren geringer Bauhöhe. Dies ermöglicht eine bessere Aktivierung der p-Schichten. Die Aktivierung mit Magnesium in den Halbleitersystemen A1N, InN und GaN und anderen Breitbandhalbleitern hängt stark vom Grad des ausgetriebenen Wasserstoffs ab. Der Wasserstoff kann kaum durch n-Schichten diffundieren. Die Verbindung von gestapelten Laserdioden und Laserbarren geringer Bauhöhe ergibt die Möglichkeit, den Wasserstoff zur Seite hin auszutreiben. Dadurch wird der Aktivierungsgrad der p- Schichten drastisch erhöht. Dies führt zu einer Reduktion der ohmschen Verluste in den vertikal gestapelten
Laserdioden und damit zu verbesserten Betriebsbedingungen. Mit anderen Worten erfolgt die
Aktivierung von verdeckten p-Schichten indem der
Wasserstoff durch laterale Diffusion und Verdampfung durch Seitenflächen der Laserbarren entfernt wird.
Insbesondere muss der Wasserstoff nicht durch die obere n-Typ Deckschicht entfernt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Laserdiodenanordnung Laserstege auf, die zur Führung der Laserstrahlung dienen. Dabei ist der aktive Bereich lateral durch Brechungsindexsprünge auf einen Streifen begrenzt. Dies nennt man Indexführung. Die optische Welle wird in einem Wellenleiter geführt und kann nur darin die induzierte Emission anregen. Die Ausbildung des
Wellenleiters kann durch unterschiedliche Schichtdicken und/oder Schichtfolgen erfolgen. Dabei ergeben sich innerhalb und außerhalb des Streifens verschiedene effektive Brechungsindices . Mantelschichten und
Wellenleiter bilden quasi eine Stufenindexfaser . Zur Verbesserung des elektrischen Confinements wird der Kontakt zusätzlich als Streifen ausgebildet. In einer
Weiterbildung des Verfahrens werden Laserstege gebildet, die über eine Indexführung die Laserstrahlung besonders gut leiten. Vorteilhaft sind die begrenzte laterale
Diffusion der Ladungsträger und der daraus resultierende niedrige Schwellstrom.
Laserlicht kann sich auch gewinngeführt ausbreiten.
Dabei ist die aktive Zone lateral durch die
Ladungsträgerinjektion auf einen Streifen begrenzt (z.B. Oxidstreifenlaser) . Der Kontakt wird durch ein Fenster in einem isolierenden Oxid an das p-leitende
Halbleitermaterial herangeführt. In einer ganzflächigen aktiven Schicht entsteht lateral ein der Stromdichte proportionales Verstärkungsprofil, mit dem eine
Erniedrigung des Brechungsindex verbunden ist. Im Bereich größter Verstärkung, d.h. höchster stimulierter Emission, wird der Brechungsindex als Folge verringerter
Ladungsträgerkonzentration etwas angehoben, so dass die optische Welle durch diesen strominduzierten Wellenleiter auf das Gebiet größter Verstärkung konzentriert wird. Dies nennt man auch aktive Wellenführung. Mit anderen Worten erfolgt die räumliche Begrenzung des Strompfades durch Oxidfenster. Besonders vorteilhaft bei Gewinn geführten Lasern ist die einfach Herstellbarkeit, die hohen optischen Leistungen und das Anschwingen vieler Moden . Die Vorteile von indexgeführten Laserdioden im Vergleich zu gewinngeführten Laserdioden sind der im Allgemeinen niedrigere Schwellenstrom.
Über die Breite der Laserstege kann gesteuert werden, ob nur eine transversale Mode anschwingt (Stegbreiten von kleiner etwa 2 ym) oder ob ein Multimodebetrieb erfolgt.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Laserdiodenanordnung Laserdioden auf, die
elektromagnetische Strahlung in zumindest teilweise voneinander verschiedenen Wellenlängenbereichen
emittieren. Durch Variation einer Indiumkonzentration in den aktiven Zonen kann mindestens eine erste Laserdiode elektromagnetische Strahlung im blauen bis UV- Spektralbereich und mindestens eine zweite Laserdiode elektromagnetische Strahlung im grünen bis gelben
Spektralbereich emittieren. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann mindestens eine erste Laserdiode elektromagnetische
Strahlung im blauen bis UV-Spektralbereich, mindestens eine zweite Laserdiode elektromagnetische Strahlung im grünen bis gelben Spektralbereich emittieren und
mindestens eine dritte Laserdiode elektromagnetische Strahlung im roten Spektralbereich emittieren.
Die aktive Zone mit dem geringsten Indiumgehalt ist als erstes auf das Substrat aufgewachsen. Die aktive Zone mit dem höchsten Indiumgehalt als letztes aufgewachsen.
In der Ausführungsform mit roten, grünen und blauen
Laserdioden ergibt sich folgende Reihenfolge für das Aufwachsen: Zunächst wird die aktive Zone aus der die blaue Laserdiode hervorgeht auf das Substrat
aufgewachsen. Anschließend wird die aktive Zone aus der die grüne Laserdiode hervorgeht aufgewachsen.
Abschließend wird die aktive Zone aus der die rote
Laserdiode hervorgeht aufgewachsen.
Vorteilhaft können auch mehrere aktive Zonen eines
Indiumgehalts monolithisch übereinander gestapelt sein. Zum Beispiel eine aktive Zone für Emission von blauem Licht, zwei aktive Zonen für die Emission von grünem Licht und eine aktive Zone für die Emission von rotem Licht . Im Folgenden seien Laserdioden betrachtet, die auf dem Materialsystem InGaAlN basieren. Erfindungsgemäß weisen Laserdioden, die im UV-Bereich emittieren, eine
Indiumkonzentrationen in der aktiven Zone zwischen etwa 5% bis etwa 10% auf. Für eine Emission im blauen Bereich muss die Indiumkonzentration in der aktiven Zone zwischen etwa 15% bis etwa 25% betragen. Im grünen Bereich beträgt die Indiumkonzentration in der aktiven Zone zwischen etwa 25% bis etwa 35%. Im gelben Bereich liegt die
Indiumkonzentration in der aktiven Zone zwischen etwa 35% bis etwa 45%. Im roten Bereich ist die
Indiumkonzentration der aktiven Zone größer als etwa 45%, vorzugsweise zwischen 45% und 60%. Diese monolithische Integration von Laserdioden, die in Kombination das gesamte sichtbare Spektrum abdecken, ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, bei denen Laserstrahlung verschiedener Wellenlängen auf kleinstem Raum notwendig ist .
Die Erfindung beansprucht ein Verfahren zur Herstellung einer Laserdiodenanordnung mit den Schritten:
- Bereitstellen eines Halbleitersubstrats,
- epitaktisches Aufwachsen einer
Halbleiterschichtenfolge, dabei
-- Bilden mindestens zweier Laserstapeln mit jeweils einer aktiven Zone und
-- Bilden mindestens eines ohmschen Kontaktes, wobei die Laserstapel und der ohmsche Kontakt monolithisch auf das Halbleitersubstrat aufgewachsen werden, wobei
die Laserstapel durch den ohmschen Kontakt elektrisch leitend miteinander verbunden werden und wobei aus den Laserstapeln gebildete Laserdioden eine zwei-dimensionale Struktur bilden. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert .
Figur 1 zeigt eine erste Epitaxiestruktur;
Figur 2 zeigt eine zweite Epitaxiestruktur;
Figur 3 zeigt eine dritte Epitaxiestruktur;
Figur 4 zeigt eine vierte Epitaxiestruktur;
Figur 5 zeigt eine erste Chipstruktur basierend auf der ersten Epitaxiestruktur aus Figur 1;
Figur 6 zeigt eine zweite Chipstruktur basierend auf der ersten Epitaxiestruktur aus Figur 1;
Figur 7a zeigt eine dritte Chipstruktur basierend auf der ersten Epitaxiestruktur aus Figur 1; Figur 7b zeigt die dritte Chipstruktur aus Figur 7a in einer dreidimensionalen Ansicht basierend auf der ersten Epitaxiestruktur aus Figur 1;
Figur 8 zeigt eine vierte Chipstruktur basierend auf der ersten Epitaxiestruktur aus Figur 1; Figur 9 zeigt eine fünfte Chipstruktur;
Figur 10a zeigt schematisch die Emissionslinie einer
einzelnen Laserdiode und Figur 10b zeigt schematisch mehrere Emissionslinien mit einer rechteckigen Einhüllenden.
Figur 10c zeigt schematisch mehrere Emissionslinien mit einer gaußförmigen Einhüllenden.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DES OPTOELEKTRONISCHEN BAUELEMENTS
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne
Elemente zur besseren Darstellbarkeit und zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Figur 1 zeigt eine Epitaxiestruktur bei der die
Tunneldiode 9 außerhalb der Mantelschichten angeordnet ist. Es handelt sich um eine Schichtenfolge mit
herkömmlicher Polarität. Herkömmliche Polarität bedeutet, dass die p-Schichten 7,8; 13, 14 jeweils auf die dem Halbleitersubstrat 2 abgewandten Seiten der beiden aktiven Zonen 6, 12 folgen. Mit anderen Worten werden die p-Schichten 7, 8; 13, 14 nach der aktiven Zone 6, 12 aufgewachsen. Auf das n-dotierte Halbleitersubstrat 2 folgt in Wachstumsrichtung eine Bufferschicht 3, eine erste n-Mantelschicht 4, ein erster n-Wellenleiter 5 eine erste aktive Zone 6, ein erster p-Wellenleiter 7, eine erste p-Mantelschicht 8, eine Tunneldiode 9, eine zweite n-Mantelschicht 10, ein zweiter n-Wellenleiter 11, eine zweite aktive Zone 12, ein zweiter p-Wellenleiter 13, eine zweite p-Mantelschicht 14 und eine p-Kontaktschicht 15.
Ein erster Laserstapel 17 umfasst die erste n- Mantelschicht 4, den ersten n-Wellenleiter 5, die erste aktive Zone 6, den ersten p-Wellenleiter 7 und die erste p-Mantelschicht. Ein zweiter Laserstapel 18 umfasst die zweite n-Mantelschicht 10, den zweiten n-Wellenleiter 11, die zweite aktive Zone 12, den zweiten p-Wellenleiter 13 und die zweite p-Mantelschicht. Herkömmliche Polarität bedeutet, dass bei den
Laserdioden, die aus den Laserstapeln 17 und 18 gebildet werden, die p-Seiten an die Oberseiten, also auf den dem Halbleitersubstrat abgewandten Seiten, der aktiven Zonen 6 und 12 angrenzen. Figur 2 zeigt eine Epitaxiestruktur bei der im Gegensatz zur Figur 1 die Tunneldioden 107 und 111 innerhalb der Mantelschichten angeordnet sind. Es handelt sich wie schon in Figur 1 um eine Schichtenfolge mit herkömmlicher Polarität. Bei den Laserdioden, die aus den Laserstapeln 117, 118 und 119 gebildeten werden, grenzen die p-Seiten an die Oberseiten der aktiven Zonen 105, 109 und 113 an. Auf das n-dotierte Substrat 101 folgt in
Wachstumsrichtung eine Bufferschicht 102, eine n- Mantelschicht 103, ein erster n-Wellenleiter 104, eine erste aktive Zone 105, ein erster p-Wellenleiter 106, eine erste Tunneldiode 107, ein zweiter n-Wellenleiter 108, eine zweite aktive Zone 109, ein zweiter p- Wellenleiter 110, eine zweite Tunneldiode 111, ein dritter n-Wellenleiter 112, eine dritte aktive Zone 113, ein dritter p-Wellenleiter 114, eine p-Mantelschicht 115, eine p-Kontaktschicht 116.
Ein erster Laserstapel 117 umfasst die n-Mantelschicht 103, den ersten n-Wellenleiter 104, die erste aktive Zone 105 und den ersten p-Wellenleiter 106. Ein zweiter
Laserstapel 118 umfasst den zweiten n-Wellenleiter 108, die zweite aktive Zone 109 und den zweiten p-Wellenleiter 110. Ein dritter Laserstapel 119 umfasst den dritten n- Wellenleiter 112, die dritte aktive Zone 113, den dritten p-Wellenleiter 114 und die p-Mantelschicht 115.
Dadurch dass in Figur 2 die Tunneldioden innerhalb der Mantelschichten angeordnet sind, sind die aktiven Zonen näher beieinander. Dies ermöglicht eine geringere Bauhöhe der Laserdiodenanordnung. Figur 3 zeigt eine Epitaxiestruktur bei der die
Tunneldioden 204 und 210 außerhalb der Mantelschichten angeordnet sind. Es handelt sich um eine Schichtenfolge mit invertierter Polarität. Die dem Halbleitersubstrat 201 zugewandte Schicht, die an die aktive Zone 207, 213 angrenzt, ist ein p-Wellenleiter 206, 212. Die vom
Halbleitersubstrat 201 abgewandte Schicht, die an die aktive Zone 207, 213 angrenzt, ist ein n-Wellenleiter 208, 214 ist. Die Schichtenfolge weist einen ersten
Laserstapel 217 und einen zweiten Laserstapel 218 auf. Auf das Halbleitersubstrat 201 folgt in Wachstumsrichtung eine Bufferschicht 202, eine erste n-Mantelschicht 203, eine erste Tunneldiode 204, eine erste p-Mantelschicht 205, ein erster p-Wellenleiter 206, eine erste aktive Zone 207, einer erster n-Wellenleiter 208, eine zweite n- Mantelschicht 209, eine zweite Tunneldiode 210, eine zweite p-Mantelschicht 211, ein zweiter p-Wellenleiter 212, eine zweite aktive Zone 213, ein zweiter n- Wellenleiter 214, eine dritte n-Mantelschicht 215 und darauf eine n-typ Kontaktschicht 216. Figur 4 zeigt eine Epitaxiestruktur bei der die erste
Tunneldiode 304 außerhalb der Mantelschichten angeordnet ist und bei der die zweite Tunneldiode 309 innerhalb der Mantelschichten angeordnet ist. Es handelt sich wie schon in Figur 3 um eine Schichtenfolge mit invertierter
Polarität. Die erste Tunneldiode 304 ist zwingend
notwendig, da das Substrat n-leitend ist. Die dem
Halbleitersubstrat 301 zugewandte Schicht, die an die aktive Zone 307, 311 angrenzt, ist ein p-Wellenleiter 306, 310. Die vom Halbleitersubstrat 301 abgewandte
Schicht, die an die aktive Zone 307, 311 angrenzt ist ein n-Wellenleiter 308, 312.
Auf das Halbleitersubstrat 301 folgt in Wachstumsrichtung eine Bufferschicht 302, eine erste n-Mantelschicht 303, eine erste Tunneldiode 304, eine p-Mantelschicht 305, ein erster p-Wellenleiter 306, eine erste aktive Zone 307, ein erster n-Wellenleiter 308, eine zweite Tunneldiode 309, ein zweiter p-Wellenleiter 310, eine zweite aktive Zone 311, ein zweiter n-Wellenleiter 312, eine zweite n- Mantelschicht 313 und eine n-typ Kontaktschicht 314. Die erste Tunneldiode 304 ist notwendig, wenn das
Halbleitersubstrat 301 vom n-Typ ist.
Die Schichtenfolge weist einen ersten Laserstapel 317 und einen zweiten Laserstapel 318 auf. Figuren 5 bis 8 basieren auf der in Figur 1 dargestellten epitaktisch aufgewachsenen Schichtenfolge, also mit zwei aktiven Zonen 6 und 12 und mit einer Tunneldiode 9, die außerhalb der Mantelschichten 8, 10 angeordnet sind. Figur 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Chipstruktur 20 in einer zweidimensionalen Darstellung. Die Laserdiodenanordnung 20 weist ein Halbleitersubstrat 2, zwei Laserstapeln 17 und 18 mit jeweils einer aktiven Zone 6 und 12 und einem ohmschen Kontakt 9 auf. Die
Laserstapel 17 und 18 und der ohmsche Kontakt 9 sind monolithisch auf das Halbleitersubstrat 2 aufgewachsen. Die Laserstapel 17 und 18 sind durch den ohmschen Kontakt 9 elektrisch verbunden. Aus den Laserstapeln 17 und 18 gebildete Laserdioden 26a, 26b, 27a und 27b bilden eine zweidimensionale Struktur. Die Laserdioden 26a, 26b, 27a und 27b sind vertikal zum Halbleitersubstrat 2 gestapelt. Der vertikale Abstand zwischen den Laserdioden 26a, 26b, 27a und 27b ist kleiner als etwa 20 ym, bevorzugt kleiner als etwa 5 pm und besonders bevorzugt kleiner als etwa 1 pm. Vorzugsweise ist der vertikale Abstand zwischen den Laserdioden 26a, 26b, 27a und 27b kleiner als die
Wellenlänge des von den Laserdioden emittierten Lichtes. Der ohmsche Kontakt 9 ist als Tunneldiode ausgebildet und lichtdurchlässig . Weiters sind die Laserdioden 26a, 26b, 27a und 27b horizontal, also parallel, zum Halbleitersubstrat 2 angeordnet. Der horizontale Abstand zwischen den
Laserdioden 26a, 26b, 27a und 27b ist kleiner als etwa 100 μιτι, bevorzugt kleiner als etwa 20 μιη und besonders bevorzugt kleiner als etwa 5 ym. Auf der freiliegenden Seite des Halbleitersubstrats ist eine n-Kontakt-Metallisierung 25 aufgebracht.
Die Schichtenfolge p-Kontaktschicht 15, zweite p- Mantelschicht 14 und zweiter p-Wellenleiter 13 sind z.B. durch Ätzen oder Lithografie strukturiert. Die
Strukturierung wird möglichst knapp vor der zweiten aktiven Zone gestoppt, um zumindest eine teilweise
Indexführung des Laserlichtes zu erreichen. Auf diese Schichten ist zumindest abschnittsweise eine Passivierung 23 aufgebracht. Oberhalb der Laserstege 21 und 22 ist die Passivierung 23 aus Kontaktierungsgründen geöffnet. Eine p-Kontakt-Metallisierung 24 ist darauf ganzflächig abgeschieden. Es bildet sich ein erster Lasersteg 21 und ein zweiter Lasersteg 22 aus. In der zweiten aktiven Zone 12 bilden sich zwei Laserdioden 26a und 26b aus, die das Laserlicht mittels einer Indexführung führen. Die zweite aktive Zone 12 wird lateral durch einen
Brechungsindexsprung auf einen Streifen begrenzt. Der Brechungsindexsprung wird durch den Übergang zweite aktive Zone 12, zweitem p-Wellenleiter 13 und
Passivierung 23 erzeugt. In lateraler Richtung wird eine Doppelheterostruktur aufgebaut, so dass der aktive
Streifen allseitig von Material mit kleinerem
Brechungsindex umgeben ist. Die optische Welle wird in einem Wellenleiter geführt und kann nur darin die
induzierte Emission anregen. Zur Verbesserung des
elektrischen Confinements wird der Kontakt als Streifen ausgebildet .
In der ersten aktiven Zone 6 werden zwei gewinngeführte Laserdioden 27a und 27b gebildet, indem die aktive Zone 6 lateral durch die Ladungsträgerinjektion begrenzt ist. In der ganzflächigen aktiven Zone 6 entsteht lateral ein der Stromdichte proportionales Verstärkungsprofil mit dem eine Erniedrigung des Brechungsindex verbunden ist. Im Bereich größter Verstärkung, d.h. höchster stimulierter Emission, wird der Brechungsindex als Folge verringerter Ladungsträgerkonzentration etwas angehoben, so dass die optische Welle durch diesen strominduzierten Wellenleiter auf das Gebiet größter Verstärkung konzentriert wird. Vorteile gewinngeführter Laserdioden sind einfache
Herstellung und hohe optische Leistungen. Nachteilig sind unter anderem die hohen Schwellenströme, die aus der lateralen Diffusion der Ladungsträger resultieren.
An den Stellen, an denen die Laserdioden 26a, 26b, 27a und 27b markiert sind, sind auch die zugehörigen
Leuchtflecken der Laserdioden zu finden. Dies gilt auch für sämtliche folgende Figuren.
Figur 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Chipstruktur 30 in einer zweidimensionalen Darstellung. Wie schon in Figur 5 weist die Chipstruktur 30 zwei Laserstege 21, 22 auf. In Abweichung von Figur 5 zeigt Figur 6 eine Chipstruktur bei der die Laserstege 21 und 22 von der p-Kontakt-Metallisierung 24 bis hin zum ersten n-Wellenleiter 5 reichen. Damit durchschneiden die
Laserstege 21 und 22 insbesondere die zweite aktive Zone 12, die Tunneldiode 9 und die erste aktive Zone 6. Die dabei gebildeten Gräben ergeben elektrisch voneinander isolierte Teilschichten. Die Chipstruktur 30 weist eine erste indexgeführte Laserdiode 36a, eine zweite
indexgeführte Laserdiode 36b, eine dritte indexgeführte Laserdiode 37a und eine vierte indexgeführte Laserdiode 37b auf. Die Chipstruktur 30 ermöglicht eine bessere Aktivierung der p-dotierten Schichten in Abhängigkeit vom Grad des ausgetriebenen Wasserstoffs. Die p-Leitfähigkeit erhöht sich. Durch den Aktivierungsschritt wird das
Ausdiffundieren unerwünschter Elemente, insbesondere
Wasserstoff, die zusammen mit dem Dotierstoff (Magnesium) im Halbleitermaterial enthalten sind, aus den p-dotierten Bereichen begünstigt. Dadurch lassen sich Chipstrukturen 30 mit einer geringeren Vorwärtsspannung fertigen. Durch die tiefe Ätzung der Chipstruktur 30 kann
Wasserstoff besonders gut seitlich ausgetrieben werden.
Figur 7a zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Chipstruktur 40 in einer zweidimensionalen Darstellung. Abweichend von Figur 5 und 6 weist die Figur 7a eine Chipstruktur 40 auf, bei der der Brechungsindexsprung weiter zu den Laserstegen 21, 22 nach außen verlagert ist, als dies bei Figur 5 und Figur 6 der Fall ist. Die Chipstruktur weist eine erste indexgeführte Laserdiode 46a und eine zweite indexgeführte Laserdiode 46b auf. Darüber hinaus weist Figur 7a eine erste gewinngeführte Laserdiode 47a und eine zweite gewinngeführte Laserdiode 47b auf.
Figur 7b zeigt das Ausführungsbeispiel einer Chipstruktur aus Figur 7a in einer dreidimensionalen Darstellung. Wie schon in Figur 7a weist die Chipstruktur 40 eine erste indexgeführte Laserdiode 46a und eine zweite
indexgeführte Laserdiode 46b auf. Zudem ist eine erste gewinngeführte Laserdiode 47a und eine zweite
gewinngeführte Laserdiode 47b vorgesehen. Die Laserdioden 46a, 46b, 47a und 47b und die zugehörigen Lichtflecke der Laserdioden sind nicht getrennt
voneinander dargestellt. Genauer betrachtet weisen die Laserdioden 46a, 46b, 47a und 47b eine drei-dimensionale Erstreckung auf, während die Lichtflecke nur eine
zweidimensionale Erstreckung aufweisen.
Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Chipstruktur 60 in einer zwei-dimensionalen Darstellung. Die
Chipstruktur 60 weist ausschließlich gewinngeführte
Laserdioden 66a, 66b, 67a und 67b auf. Es tritt keinerlei Brechungsindexsprung auf. Solch eine Anordnung wird auch als Oxidstreifenlaser bezeichnet. Diese Anordnung ist einfach in der Herstellung und für hohe
Ausgangsleistungen geeignet. Figur 9a zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel einer
Chipstruktur 70a in einer zwei-dimensionalen Darstellung. Die Chipstruktur 70a weist ausschließlich gewinngeführte Laserdioden auf. Diese Anordnung ist einfach in der
Herstellung und für hohe Ausgangsleistungen geeignet. Die Chipstruktur stellt eine monolithisch gewachsene
Lichtquelle dar, die gleichzeitig Licht im grünen oder gelben und im blauen Spektralbereich emittiert. Die
Laserdioden 95a und 95b emittieren im grünen oder gelben Spektralbereich und die Laserdioden 96a und 96b
emittieren im blauen Spektralbereich.
Die Schichtenfolge des sechsten Ausführungsbeispiels stellt sich wie folgt dar: Ausgangsschicht ist das
Halbleitersubstrat 72. Auf der Unterseite ist die n- Kontakt Metallisierung 71 aufgebracht. Auf die Oberseite des Halbleitersubstrats 72 ist die Bufferschicht 73 aufgewachsen. Es folgen in Wachstumsrichtung eine erste n-Mantelschicht 74, ein erster n-Wellenleiter 75, eine erste aktive Zone 76 mit Emission von blauem Licht, ein erster p-Wellenleiter 77, eine erste p-Mantelschicht 78, eine erste Tunneldiode 79, eine zweite n-Mantelschicht 80, ein zweiter n-Wellenleiter 81, eine zweite aktive Zone 82 mit Emission von grünem oder gelbem Licht, eine zweiter p-Wellenleiter 83, eine zweite p-Mantelschicht 84, eine hochdotierte p-Kontaktschicht 91, eine
Passivierung 92 und abschließend eine p-Kontakt- Metallisierung 93.
Im vorliegend Ausführungsbeispiel, basierend auf dem einzigen Materialsystem InGaAlN, ist die
Stapelreihenfolge der aktiven Zonen ausgehend vom
Halbleitersubstrat:
-Blau 76
-Grün oder Gelb 82
Durch eine Kombination von blauem und gelbem Laserlicht kann eine Weißlichtquelle erzeugt werden. Alternativ kann eine beliebig andere Wellenlänge durch
Emission verschiedener Laser-Wellenlängen erzeugt werden.
Figur 9b zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Chipstruktur 70b in einer zwei-dimensionalen Darstellung. Die Chipstruktur 70b weist ausschließlich gewinngeführte Laserdioden auf. Diese Anordnung ist einfach in der
Herstellung und für hohe Ausgangsleistungen geeignet. Die Chipstruktur stellt eine monolithisch gewachsene
Lichtquelle dar, die gleichzeitig Licht im Roten, Grünen und Blauen Spektralbereich emittiert. Die Laserdioden 94a und 94b emittieren im roten Spektralbereich; die Laserdioden 95a und 95b im grünen Spektralbereich und die Laserdioden 96a und 96b im blauen Spektralbereich.
Die Anordnung kann für die gleichzeitige Emission von Laserlicht in allen drei Primärfarben auf einem einzigen InGaAlN-Materialsystem basieren. Alternativ kann die
Anordnung für die gleichzeitige Emission von grünem und blauem Laserlicht auf dem Materialsystem (Al,In)GaN und für die Emission von rotem Laserlicht auf dem
Materialsystem InGaAlP beruhen. Die Schichtenfolge des sechsten Ausführungsbeispiels stellt sich wie folgt dar: Ausgangsschicht ist das
Halbleitersubstrat 72. Auf der Unterseite ist die n- Kontakt Metallisierung 71 aufgebracht. Auf die Oberseite des Halbleitersubstrats 72 ist die Bufferschicht 73 aufgewachsen. Es folgen in Wachstumsrichtung eine erste n-Mantelschicht 74, ein erster n-Wellenleiter 75, eine erste aktive Zone 76 mit Emission von blauem Licht, ein erster p-Wellenleiter 77, eine erste p-Mantelschicht 78, eine erste Tunneldiode 79, eine zweite n-Mantelschicht 80, ein zweiter n-Wellenleiter 81, eine zweite aktive Zone 82 mit Emission von grünem Licht, eine zweiter p- Wellenleiter 83, eine zweite p-Mantelschicht 84, eine zweite Tunneldiode 85, eine dritte n-Mantelschicht 86, ein dritter n-Wellenleiter 87, eine dritte aktive Zone 88 mit Emission von rotem Licht, ein dritter p-Wellenleiter 89, eine dritte p-Mantelschicht 90, eine dritte,
hochdotierte p-Kontaktschicht 91, eine Passivierung 92 und abschließend eine p-Kontakt-Metallisierung 93.
Im vorliegend Ausführungsbeispiel, basierend auf dem einzigen Materialsystem InGaAlN, ist die Stapelreihenfolge der aktiven Zonen ausgehend vom
Halbleitersubstrat :
-Blau 76
-Grün 82
-Rot 88
Diese Reihenfolge ist vorteilhaft, da dabei die
indiumreichste und damit temperaturempfindlichste aktive Zone Rot 88 zuletzt aufgewachsen wird. Die Kombination von blauem, grünem und rotem Laserlicht kann zu einer Weißlichtquelle kombiniert werden, die einen Lichtfleck mit extremer Leuchtdichte zur Verfügung stellt.
Laserdioden stellen Schlüsselkomponenten für die RGB- Laserproj ektion dar, wobei die Laserwellenlängen
typischerweise 600 bis 660nm für ROT, 430 bis 470nm für BLAU und 510 bis 550nm für GRÜN betragen.
Laserbasierte RGB-Lichtquellen weisen viele Vorteile (hohe Effizienz, hohe Lebensdauer, hohe Focustiefe, kompakte Bauform) gegenüber herkömmlichen
Projektionssystemen (Beamerlampe, LED-basierte
Projektoren) auf.
Eine derartige laserbasierte Lichtquelle hat wegen der geringen abstrahlenden Fläche und dem begrenzten
Emissionswinkel eine um mehrere Größenordnungen höhere Leuchtdichte als herkömmliche LED-basierte Lichtquellen. Figur 10 a zeigt Laserlicht 400, das aus einer Laserdiode stammt. Die Laserdiode weist eine aktive Zone auf. Jede aktive Zone weist einen oder mehrere Quantenwells auf. Vorzugsweise kommen pro aktiver Zone 2 bis 5 Quantenwells zum Einsatz. Die Quantenwells sind durch
Barriereschichten voneinander getrennt. Das von den Quantenwells einer aktiven Zone emittierte Licht ist hochmonochromatisch. Infolge der hohen Kohärenz, die von der engen Wellenlängenverteilung von Laserdioden
herrührt, neigen laserbasierte RotGrünBlau (RGB) - Lichtquellen zu unerwünschten Interferenzerscheinungen in den Projektionsabbildungen. Diese Helligkeitsschwankungen zeigen sich als sogenannte „Speckle-Muster" . Das
unerwünschte „Speckien" beschränkt den Einsatz von
Laserlichtquellen für Projektionszwecke. Das Speckle- Muster zeigt sich als grob granuliertes Muster der
Strahlintensität . Beispielsweise beträgt die
Halbwertsbreite für monochromatisches blaues Licht bei etwa 450 nm 0,5 bis 1,5 nm. Um die Specklemuster zu verringern, müsste die emittierte Laserstrahlung eine breitere Wellenlängenverteilung aufweisen als die typischen Werte im nm-Bereich oder darunter. Eine
Möglichkeit das Speckien zu reduzieren wäre es, die Wellenlängenverteilung auf epitaktischem Weg über gezielte Inhomogenitäten in der aktiven Zone zu
verbreitern (z.B. durch erhöhte Wachstumstemperaturen) . Allerdings führen diese Inhomogenitäten auch zu
verstärkten Verlusten, einer verringerten Effizienz und damit verringerten Lebensdauer.
Figur 10 b zeigt die Emission von Laserlicht mit einer größeren spektralen Breite als in Figur 10a. Das
Laserlicht setzt sich zusammen aus Laserlichtlicht, das aus fünf verschiedenen aktiven Zonen stammt, die über lichtdurchlässige Tunnelschichten miteinander verbunden sind. Der Indiumgehalt variiert zwischen den
verschiedenen aktiven Zonen. Die aktiven Zonen weisen in ihrer Emissionswellenlänge gezielt Unterschiede auf. In Summe führt dies zu einer verbreiterten
Wellenlängenverteilung des ausgesandten Lichtes. Zum Beispiel können 2 bis 20 verschiedene aktive Zonen mit gezielten Wellenlängenunterschieden zwischen 0,5nm und 20nm übereinander angeordnet sein. Bei gleichzeitigem Betrieb führt dies zu der gewünschten breiten
Wellenlängenverteilung. Beispielsweise überlappen die Emissionslinien aus den verschiedenen aktiven Zonen derart, dass eine Einhüllende 401 bei einer mittleren Wellenlänge von 450 nm mit einer spektralen Breite von etwa 4 bis 20 nm erzeugt wird. Die Verwendung von
lichtdurchlässigen Tunneldioden ist hierfür zwingend notwendig. Das Laserlicht ist Specklefrei und ist daher besonders gut für die Laserprojektion geeignet. Dieses Verfahren kann mit jeder dieser Grundfarben (ROT-GRÜNBLAU) erfolgen und somit zu einer Specklefreien Laser- Projektion führen. Die Einhüllende 401 weist eine
Rechteckform auf. Das Rechteckprofil ergibt sich dadurch, dass alle aktiven Zonen die gleiche Effizienz aufweisen. Figur 10c zeigt wie schon Figur 10b eine Laseremission mit einer größeren spektralen Breite als in Figur 10a. Das Laserlicht setzt sich zusammen aus Laserlicht, das aus fünf verschiedenen aktiven Zonen stammt, die über lichtdurchlässige Tunnelschichten miteinander verbunden sind. Im Unterschied zu Figur 10b ergibt sich für die
Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Wellenlänge eine näherungsweise gaußförmige Einhüllende. Die Gaußform kann erreicht werden, in dem die mittlere aktive Zone effizienter als die äußeren aktiven Zonen ist. Die
Effizienz der aktiven Zonen kann über die
Wachstumstemperatur eingestellt werden. Ist die Wachstumstemperatur niedriger als die optimale
Wachstumstemperatur, ist die entstehende Kristallqualität schlechter, die Effizienz der aktiven Zone ist reduziert. Ist die Wachstumstemperatur höher als die optimale
Wachstumstemperatur, ist der Indiumgehalt über die
Ausdehnung der Quantenwells uneinheitlich. Wiederum ist die Effizienz der aktiven Zone reduziert.
Die Laserdiodenanordnung und das Verfahren zum Herstellen einer Laserdiodenanordnung wurden zur Veranschaulichung des zugrundeliegenden Gedankens anhand einiger
Ausführungsbeispiele beschrieben. Die
Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf bestimmte
Merkmalskombinationen beschränkt. Auch wenn einige
Merkmale und Ausgestaltungen nur im Zusammenhang mit einem besonderen Ausführungsbeispiel oder einzelnen
Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, können sie jeweils mit anderen Merkmalen aus anderen
Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Es ist ebenso denkbar, in Ausführungsbeispielen einzelne dargestellte Merkmale oder besondere Ausgestaltungen wegzulassen oder hinzuzufügen, soweit die allgemeine technische Lehre realisiert bleibt.
Auch wenn die Schritte des Verfahrens zum Herstellen einer Laserdiodenanordnung in einer bestimmten
Reihenfolge beschrieben sind, so ist es
selbstverständlich, dass jedes der in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahren in jeder anderen, sinnvollen Reihenfolge durchgeführt werden kann, wobei auch
Verfahrensschritte ausgelassen oder hinzugefügt werden können, soweit nicht von dem Grundgedanken der
beschriebenen technischen Lehre abgewichen wird. Bezugs zeichenliste
I Erstes Ausführungsbeispiel einer Schichtenfolge 2 Substrat
3 Bufferschicht
4 erste n-Mantelschicht
5 erster n-Wellenleiter
6 erste aktive Zone
7 erster p-Wellenleiter
8 erste p-Mantelschicht
9 Tunneldiode
10 zweite n-Mantelschicht
II zweiter n-Wellenleiter
12 zweite aktive Zone
13 zweiter p-Wellenleiter
14 zweite p-Mantelschicht
15 p-Kontaktschicht
17 erster Laserstapel
18 zweiter Laserstapel erstes Ausführungsbeispiel einer Chipstruktur erster Lasersteg
zweiter Lasersteg
Passivierung
p-Kontakt-Metallisierung
n-Kontakt-Metallisierung erste indexgeführte Laserdiode
zweite indexgeführte Laserdiode
erste gewinngeführte Laserdiode
zweite gewinngeführte Laserdiode zweites Ausführungsbeispiels einer Chipstruktur erste indexgeführte Laserdiode
zweite indexgeführte Laserdiode
dritte indexgeführte Laserdiode
vierte indexgeführte Laserdiode 40 drittes Ausführungsbeispiel einer Chipstruktur
46a erste indexgeführte Laserdiode 46b zweite indexgeführte Laserdiode
47a erste gewinngeführte Laserdiode
47b zweite gewinngeführte Laserdiode
50 Ausschnitt einer räumlichen Darstellung des
dritten Ausführungsbeispiels einer Chipstruktur
60 viertes Ausführungsbeispiel einer Chipstruktur
66a erste gewinngeführte Laserdiode 66b zweite gewinngeführte Laserdiode
67a dritte gewinngeführte Laserdiode
67b vierte gewinngeführte Laserdiode
70 a fünftes Ausführungsbeispiel einer Chipstruktur 70b sechstes Ausführungsbeispiel einer Chipstruktur 71 n-Kontakt-Metallisierung 72 Halbleitersubstrat, n-Typ
73 Bufferschicht
74 erste n-Mantelschicht
75 erster n-Wellenleiter 76 erste aktive Zone mit Emission von blauem Licht
77 erster p-Wellenleiter
78 erste p-Mantelschicht
79 erste Tunneldiode
80 zweite n-Mantelschicht 81 zweiter n-Wellenleiter
82 zweite aktive Zone mit Emission von grünem Licht
83 zweiter p-Wellenleiter
84 zweite p-Mantelschicht 85 zweite Tunneldiode
86 dritte n-Mantelschicht
87 dritter n-Wellenleiter
88 dritte aktive Zone mit Emission von rotem Licht
89 dritter p-Wellenleiter 90 dritte p-Mantelschicht
91 p-Kontaktschicht 92 Passivierung
93 p-Kontakt-Metallisierung
94a erste gewinngeführte Laserdiode
94b zweite gewinngeführte Laserdiode 95a dritte gewinngeführte Laserdiode
95b vierte gewinngeführte Laserdiode
96a fünfte gewinngeführte Laserdiode
96b sechste gewinngeführte Laserdiode
97 erster Laserstapel 98 zweiter Laserstapel
99 dritter Laserstapel
100 Zweites Ausführungsbeispiels einer Schichtenfolge 101 Substrat
102 Bufferschicht
103 n-Mantelschicht
104 erster n-Wellenleiter
105 erste aktive Zone 106 erster p-Wellenleiter
107 erste Tunneldiode 108 zweiter n-Wellenleiter
109 zweite aktive Zone
110 zweiter p-Wellenleiter
111 zweite Tunneldiode 112 dritter n-Wellenleiter
113 dritte aktive Zone
114 dritter p-Wellenleiter
115 p-Mantelschicht
116 p-Kontaktschicht 117 erster Laserstapel
118 zweiter Laserstapel
119 dritter Laserstapel
200 Drittes Ausführungsbeispiels einer Schichtenfolge
201 Substrat
202 Bufferschicht
203 erste n-Mantelschicht
204 erste Tunneldiode 205 erste p-Mantelschicht
206 erster p-Wellenleiter 207 erste aktive Zone
208 erster n-Wellenleiter
209 zweite n-Mantelschicht
210 zweite Tunneldiode 211 zweite p-Mantelschicht
212 zweiter p-Wellenleiter
213 zweite aktive Zone
214 zweiter n-Wellenleiter
215 dritte n-Mantelschicht 216 n-typ Kontaktschicht
217 erster Laserstapel
218 zweiter Laserstapel
300 viertes Ausführungsbeispiel einer Schichtenfolge
301 Substrat
302 Bufferschicht
303 erste n-Mantelschicht
304 erste Tunneldiode 305 p-Mantelschicht
306 erster p-Wellenleiter 307 erste aktive Zone
308 erster n-Wellenleiter
309 zweite Tunneldiode
310 zweiter p-Wellenleiter 311 zweite aktive Zone
312 zweiter n-Wellenleiter
313 zweite n-Mantelschicht
314 n-typ Kontaktschicht 317 erster Laserstapel 318 zweiter Laserstapel
400 Einzelemission
401 Einhüllende

Claims

PAT E N TAN S P R Ü C H E
1. Laserdiodenanordnung mit
- einem Halbleitersubstrat (2; 101; 201; 301; 72),
- mindestens zwei Laserstapeln (17, 18; 117, 118, 119; 217, 218; 317, 318; 97, 98, 99) mit jeweils einer aktiven Zone (6, 12; 105, 109, 113; 207, 213; 307, 311; 76, 82, 88) und
- mindestens einem lichtdurchlässigen ohmschen Kontakt (9; 107, 111; 204, 210; 304, 309; 79, 85), wobei die Laserstapel (17, 18; 117, 118, 119; 217, 218; 317,
318; 97, 98, 99) und der lichtdurchlässige ohmsche Kontakt (9; 107, 111; 204, 210; 304, 309; 79, 85) monolithisch auf das Halbleitersubstrat (2; 101; 201; 301; 72) aufgewachsen sind, wobei
die Laserstapel (17, 18; 117, 118, 119; 217, 218; 317,
318; 97, 98, 99) durch den lichtdurchlässigen ohmschen Kontakt (9; 107, 111; 204, 210; 304, 309; 79, 85) elektrisch verbunden sind und wobei aus den
Laserstapeln (17, 18; 117, 118, 119; 217, 218; 317, 318; 97, 98, 99) gebildete Laserdioden (26a, 26b, 27a,
27b; 36a, 36b, 37a, 37b; 46a, 46b, 47a, 47b; 66a, 66b, 67a, 67b; 94a, 94b, 95a, 95b, 96a, 96b) eine zwei¬ dimensionale Struktur bilden.
2. Laserdiodenanordnung gemäß Anspruch 1, wobei der lichtdurchlässige ohmsche Kontakt (9; 107, 111; 204,
210; 304, 309; 79, 85) eine Tunneldiode ist.
3. Laserdiodenanordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Laserdioden (26a, 26b, 27a, 27b; 36a, 36b, 37a, 37b; 46a, 46b, 47a, 47b; 66a, 66b, 67a, 67b; 94a, 94b, 95a, 95b, 96a, 96b) vertikal zum Halbleitersubstrat (2; 101; 201; 301; 72) gestapelt sind.
4. Laserdiodenanordnung gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei der vertikale Abstand zwischen den Laserdioden (26a, 26b, 27a, 27b; 36a, 36b, 37a, 37b; 46a, 46b, 47a, 47b; 66a, 66b, 67a, 67b; 94a, 94b, 95a, 95b, 96a, 96b) kleiner als etwa 20 ym, bevorzugt kleiner als etwa 5 ym und besonders bevorzugt kleiner als etwa 1 ym ist.
5. Laserdiodenanordnung gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei der vertikale Abstand zwischen den Laserdioden (26a, 26b, 27a, 27b; 36a, 36b, 37a, 37b;
46a, 46b, 47a, 47b; 66a, 66b, 67a, 67b; 94a, 94b, 95a, 95b, 96a, 96b) kleiner als die Wellenlänge des von den Laserdioden emittierten Lichtes ist.
6. Laserdiodenanordnung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Laserdioden (26a, 26b, 27a, 27b;
36a, 36b, 37a, 37b; 46a, 46b, 47a, 47b; 66a, 66b, 67a, 67b; 94a, 94b, 95a, 95b, 96a, 96b) in horizontaler Richtung, parallel zum Halbleitersubstrat (2; 101; 201; 301; 72), angeordnet sind.
7. Laserdiodenanordnung gemäß Anspruch 6, wobei der horizontale Abstand zwischen den Laserdioden (26a, 26b, 27a, 27b; 36a, 36b, 37a, 37b; 46a, 46b, 47a, 47b; 66a, 66b, 67a, 67b; 94a, 94b, 95a, 95b, 96a, 96b) kleiner als etwa 100 ym, bevorzugt kleiner als etwa 20 ym und besonders bevorzugt kleiner als etwa 5 ym ist.
8. Laserdiodenanordnung gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei die dem Halbleitersubstrat (201; 301) zugewandte Schicht, die an die aktive Zone (207, 213; 307, 311) angrenzt, ein p-Wellenleiter (206, 212; 306, 310) ist und die vom Halbleitersubstrat (201; 301) abgewandte Schicht, die an die aktive Zone (207, 213; 307, 311) angrenzt, ein n-Wellenleiter (208, 214; 308, 312) ist.
9. Laserdiodenanordnung gemäß einem der vorigen
Ansprüche, wobei die Laserdioden (27a, 27b; 47a, 47b;
66a, 66b; 67a, 67b; 94a, 94b; 95a, 95b; 96a, 96b) gewinngeführt sind.
10. Laserdiodenanordnung gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Laserdioden (26a, 26b; 36a, 36b; 37a, 37b; 46a, 46b) indexgeführt sind.
11. Laserdiodenanordnung gemäß Anspruch 10, wobei Gräben zwischen Laserstegen (21, 22), die die
indexgeführten Laserdioden (36a, 37a; 36b, 37b) aufweisen, sämtliche aktiven Zonen (6; 12)
durchschneiden.
12. Laserdiodenanordnung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die aktiven Zonen (6, 12; 105, 109, 113; 207, 213; 307, 311; 76, 82, 88) so ausgelegt sind, dass die Laserdioden (26a, 26b, 27a, 27b; 36a, 36b, 37a, 37b; 46a, 46b, 47a, 47b; 66a, 66b, 67a, 67b;
94a, 94b, 95a, 95b, 96a, 96b) aus verschiedenen aktiven Zonen elektromagnetische Strahlung in
voneinander verschiedenen Wellenlängenbereichen emittieren .
13. Laserdiodenanordnung gemäß Anspruch 12 aus einem GaN-Halbleitersystem, wobei durch Variation einer Indiumkonzentration in den aktiven Zonen (6, 12; 105, 109, 113; 207, 213; 307, 311; 76, 82) mindestens eine erste Laserdiode elektromagnetische Strahlung im blauen bis UV-Spektralbereich und mindestens eine zweite Laserdiode elektromagnetische Strahlung im grünen bis gelben Spektralbereich emittieren.
14. Laserdiodenanordnung gemäß Anspruch 12 aus einem GaN-Halbleitersystem, wobei durch Variation einer Indiumkonzentration in den aktiven Zonen (6, 12; 105, 109, 113; 207, 213; 307, 311; 76, 82, 88)
mindestens eine erste Laserdiode elektromagnetische Strahlung im blauen bis UV-Spektralbereich, mindestens eine zweite Laserdiode elektromagnetische Strahlung im grünen bis gelben Spektralbereich und mindestens eine dritte Laserdiode elektromagnetische Strahlung im roten Spektralbereich emittieren.
15. Laserdiodenanordnung gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei bei Laserdioden im
- UV-Bereich die Indiumkonzentrationen zwischen etwa 5% bis etwa 10%,
- blauen Bereich die Indiumkonzentrationen zwischen etwa 15% bis etwa 25%,
- grünen Bereich die Indiumkonzentrationen zwischen etwa 25% bis etwa 35%,
- gelben Bereich die Indiumkonzentrationen zwischen etwa 35% bis etwa 45% und im
- roten Bereich die Indiumkonzentrationen größer als etwa 45%, vorzugsweise zwischen 45% und 60% liegen.
16. Verfahren zur Herstellung einer
Laserdiodenanordnung mit den Schritten:
- Bereitstellen eines Halbleitersubstrats (2; 101; 201; 301; 72),
- epitaktisches Aufwachsen einer
Halbleiterschichtenfolge, dabei
-- Bilden mindestens zweier Laserstapeln (17, 18; 117, 118, 119; 217, 218; 317, 318; 97, 98, 99) mit jeweils einer aktiven Zone (6, 12; 105, 109, 113; 207, 213; 307, 311) und
-- Bilden mindestens eines lichtdurchlässigen ohmschen Kontaktes (9; 107, 111; 204, 210; 304, 309; 79, 85), wobei
die Laserstapel (17, 18; 117, 118, 119; 217, 218; 317, 318; 97, 98, 99) und der lichtdurchlässige ohmsche
Kontakt (9; 107, 111; 204, 210; 304, 309; 79, 85) monolithisch auf das Halbleitersubstrat (2; 101; 201; 301; 72) aufgewachsen werden, wobei
die Laserstapel (17, 18; 117, 118, 119; 217, 218; 317, 318; 97, 98, 99) durch den lichtdurchlässigen ohmschen
Kontakt (9; 107, 111; 204, 210; 304, 309; 79, 85) elektrisch leitend miteinander verbunden werden und wobei aus den Laserstapeln (17, 18; 117, 118, 119; 217, 218; 317, 318; 97, 98, 99) gebildete Laserdioden (26a, 26b, 27a, 27b; 36a, 36b, 37a, 37b; 46a, 46b,
47a, 47b; 66a, 66b, 67a, 67b; 94a, 94b, 95a, 95b, 96a, 96b) eine zwei-dimensionale Struktur bilden.
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