OPTOELEKTRONISCHES HALBLEITERBAUELEMENT, ANORDNUNG VON OPTOELEKTRONISCHEN HALBLEITERBAUELEMENTEN, OPTOELEKTRONISCHE VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES OPTOELEKTRONISCHEN HALBLEITERBAUELEMENTES

BESCHREIBUNG

Oberflächenemittierende Laser, d.h. Laservorrichtungen, bei denen das erzeugte Laserlicht senkrecht zu einer Oberfläche einer Halbleiterschichtanordnung emittiert wird, können weit verbreitet als Laserlichtquelle, beispielsweise in Anzeigevor richtungen eingesetzt werden.

Generell wird nach Konzepten gesucht, mit denen die Pixelgröße von Emittern verkleinert werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Halbleiter-Laservorrichtung zur Verfügung zu stel len. Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung von Halbleiter-Laservor richtungen, ein verbessertes optoelektronisches Bauelement so wie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Halblei ter-Laservorrichtung bereitzustellen.

Gemäß Ausführungsformen wird die Aufgabe durch den Gegenstand und das Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind in den abhängigen An sprüchen definiert.

Eine Halbleiter-Laservorrichtung weist einen Schichtstapel auf, der einen ersten Resonatorspiegel, einen zweiten Resona torspiegel sowie eine aktive Zone, die zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel angeordnet ist und welche geeig net ist, elektromagnetische Strahlung zu emittieren, umfasst. Um einen zentralen Bereich der aktiven Zone ist eine Ladungs trägerbarriere angeordnet. Beispielsweise kann durch diese La dungsträgerbarriere der Stromfluss durch die aktive Zone ört lich begrenzt sein.

Beispielsweise ist ein Teil des Schichtstapels zu einer Mesa strukturiert, und die Ladungsträgerbarriere ist jeweils in ei nem Randbereich der Mesa angeordnet.

Gemäß Ausführungsformen ist die Ladungsträgerbarriere durch lokale Dotierstoff-Diffusion und/oder lokales Quantenwell-In- termixing erzeugt. Beispielsweise kann sich die Bandlücken energie der aktiven Zone im zentralen Bereich von der im Be reich der Ladungsträgerbarriere unterscheiden.

Üblicherweise sind eine oder mehrere aktive Schichten der ak tiven Zone eines optoelektronischen Halbleiterbauelements un dotiert oder schwach dotiert (z.B. leichte n-Dotierung, als n abgekürzt), es liegt also beispielsweise (in vertikaler Rich tung) ein p-i-n-Übergang vor, wobei i für intrinsisch steht. Für die laterale Bewegung von Ladungsträgern gibt es dann in der mindestens einen Schicht der aktiven Zone keine Barriere. Die lokale Diffusion in eine undotierte oder schwach dotierte Schicht führt dazu, dass sich im diffundierten Bereich eine wesentlich höhere Dotierung (zum Beispiel eine p-Dotierung) ausbildet, lateral also z.B. ein p ⁺ /i-Übergang oder p ^+/ n Über gang entsteht, der die Diffusion von Elektronen zu einer Me- sakante hin reduziert. Alternativ können eine oder mehrere Schichten der aktiven Zone (z.B. Quantumwellschichten) ur sprünglich in einer dotierten Form vorliegen, so dass sich la teral anstatt (im Falle der zuvor beschriebenen undotierten Schicht) eines i/p ⁺ Übergangs ein n/p ⁺ -Übergang ausbildet, der im Vergleich zu dem i/p ⁺ Übergang eine höhere Barriere für Elektronen darstellt. Durch die lokale Dotierstoff-Diffusion kann dementsprechend in einer oder mehreren sonst (d.h. bis auf die nachstehend er wähnte lokale Erhöhung der Dotierung) undotierten oder intrin sisch dotierten Schichten, insbesondere Quantumwell-Schichten, der aktiven Zone (110) eine Dotierung lokal erhöht sein, so dass sich dadurch ein lateraler pn-Übergang ergibt. Insbeson dere kann ein Teilbereich der mindestens einen Schicht der ak tiven Zone derart dotiert sein, dass dadurch eine Diffusions spannung des resultierenden lateralen pn-Übergangs ausgebildet ist und dadurch wiederum eine Ladungsträgerbarriere für Elekt ronen erzeugt ist. Mit anderen Worten, durch das lokale Erset zen einzelner Atome mindestens einer Schicht der aktiven Zone (z.B. mindestens einer Quantumwellschicht) durch den Dotier stoff wird eine laterale Diffusionsspannung erzeugt.

Die Dotierung kann lokal z.B. auf l-10 ¹⁷ /cm ³ bis 5-10 ¹⁸ /cm ³ , be vorzugt auf 5-10 ¹⁷ /cm ³ bis l-10 ¹⁸ /cm ³ erhöht sein.

Durch die lokale Dotierstoff-Diffusion kann bei geeigneter Prozessführung gleichzeitig ein lokales Quantenwell-Intermi- xing erzeugt sein, so dass sich die Bandlückenenergie der ak tiven Zone im zentralen Bereich (107) von der im Bereich der Ladungsträgerbarriere (118) unterscheidet, was ebenfalls zu der Ladungsträgerbarriere für Elektronen beiträgt. Die Verän derung der Bandlücke durch Austausch von Gitteratomen zwischen Quantumwell- und Quantumbarriere-Schichten wird auch als In- termixing der QuantentopfStrukturen in der aktiven Zone be zeichnet, wird dieser Prozess wie vorliegend über das Einbrin gen von Fremdatomen vermittelt so wird dies "Impurity Induced Quantumwell Intermixing" genannt.

Beispielsweise ist eine laterale Abmessung der Halbleiter-La servorrichtung kleiner als 10 pm. Die Halbleiter-Laservorrichtung kann ferner eine vergrabene Oxidschicht umfassen, wobei die vergrabene Oxidschicht in ei nem zentralen Bereich der Halbleiter-Laservorrichtung eine Öffnung aufweist. Die vergrabene Oxidschicht kann beispiels weise zwischen dem ersten Resonatorspiegel und der aktiven Zone angeordnet sein. Sie kann aber auch an anderen Stellen innerhalb des Schichtstapels angeordnet sein.

Die vergrabene Oxidschicht kann durch Oxidation einer Halb leiterschicht z.B. einer Al-haltigen Halbleiterschicht von ei nem Randbereich der Mesa her erzeugt werden. Die Oxidations zeit kann dabei so bemessen sein, dass in einem Zentralbereich des Schichtstapels ein nicht-oxidierter Bereich dieser leitfä higen Halbleiterschicht übrigbleibt, der eine Öffnung dar stellt.

Benachbarte Halbleiter-Laservorrichtungen sind jeweils durch Gräben voneinander getrennt.

Die Gräben können sich höchstens bis zu einer Oberkante der aktiven Zone erstrecken und die aktive Zone nicht durchtren nen.

Gemäß weiteren Ausführungsformen durchtrennen die Gräben die aktiven Zonen benachbarter Halbleiter-Laservorrichtungen.

Die Gräben haben beispielsweise eine maximale laterale Abmes sung kleiner als 10 pm.

Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst eine optoelektroni sche Vorrichtung eine Anordnung wie vorstehend beschrieben so wie eine Ansteuervorrichtung, die geeignet ist, Halbleiter-La servorrichtungen der Anordnung individuell anzusteuern. Gemäß weiteren Ausführungsformen umfasst eine Anzeigevorrich tung die optoelektronische Vorrichtung wie vorstehend defi niert.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung von Halbleiter- Laservorrichtungen umfasst das Ausbilden von Gräben in einem Schichtstapel, der einen ersten Resonatorspiegel, einen zwei ten Resonatorspiegel sowie eine aktive Zone, die zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel angeordnet ist, um fasst. Dadurch wird eine Mesa strukturiert. Das Verfahren um fasst ferner das Ausbilden einer Ladungsträgerbarriere in ei nem Randbereich der Mesa.

Beispielsweise kann das Ausbilden der Ladungsträgerbarriere durch Diffusion von Dotierstoffen in den Gräben erfolgen.

Gemäß Ausführungsformen erstrecken sich die Gräben bis höchs tens zur Oberkante der aktiven Zone.

Gemäß weiteren Ausführungsformen erstrecken sich die Gräben mindestens zur Unterkante der aktiven Zone.

Der Fachmann wird zusätzliche Merkmale und Vorteile nach Lesen der folgenden Detailbeschreibung und Betrachten der begleiten den Zeichnungen erkennen.

Die begleitenden Zeichnungen dienen dem Verständnis von Aus führungsbeispielen der Erfindung. Die Zeichnungen veranschau lichen Ausführungsbeispiele und dienen zusammen mit der Be schreibung deren Erläuterung. Weitere Ausführungsbeispiele und zahlreiche der beabsichtigten Vorteile ergeben sich unmittel bar aus der nachfolgenden Detailbeschreibung. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente und Strukturen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Glei che Bezugszeichen verweisen auf gleiche oder einander entspre chende Elemente und Strukturen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Halb leiter-Laservorrichtung gemäß Ausführungsformen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Halb leiter-Laservorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.

Die Figuren 3A bis 3C veranschaulichen ein Werkstück beim Durchführen eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiter- Laservorrichtung gemäß Ausführungsformen.

Die Figuren 4A bis 4B veranschaulichen ein Werkstück bei Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung einer Halblei ter-Laservorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.

Fig. 5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer opto elektronischen Vorrichtung gemäß Ausführungsformen.

Fig. 6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer opto elektronischen Vorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen.

Fig. 7 fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen.

In der folgenden Detailbeschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zu Veranschaulichungszwecken spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind. In diesem Zusammenhang wird eine Richtungsterminologie wie "Oberseite", "Boden", "Vorder seite", "Rückseite", "über", "auf", "vor", "hinter", "vorne", "hinten" usw. auf die Ausrichtung der gerade beschriebenen Fi guren bezogen. Da die Komponenten der Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie nur der Erläuterung und ist in keiner Weise einschränkend.

Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist nicht einschrän kend, da auch andere Ausführungsbeispiele existieren und strukturelle oder logische Änderungen gemacht werden können, ohne dass dabei vom durch die Patentansprüche definierten Be reich abgewichen wird. Insbesondere können Elemente von im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Elementen von anderen der beschriebenen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nichts anderes ergibt.

Die Begriffe "Wafer" oder "Halbleitersubstrat", die in der folgenden Beschreibung verwendet sind, können jegliche auf Halbleiter beruhende Struktur umfassen, die eine Halbleiter oberfläche hat. Wafer und Struktur sind so zu verstehen, dass sie dotierte und undotierte Halbleiter, epitaktische Halb leiterschichten, gegebenenfalls getragen durch eine Basisun terlage, und weitere Halbleiterstrukturen einschließen. Bei spielsweise kann eine Schicht aus einem ersten Halbleitermate rial auf einem Wachstumssubstrat aus einem zweiten Halbleiter material, beispielsweise einem GaAs-Substrat, einem GaN-Sub- strat oder einem Si-Substrat oder aus einem isolierenden Mate rial, beispielsweise auf einem Saphirsubstrat, gewachsen sein.

Je nach Verwendungszweck kann der Halbleiter auf einem direk ten oder einem indirekten Halbleitermaterial basieren. Bei spiele für zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung beson ders geeignete Halbleitermaterialien umfassen insbesondere Nitrid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise ultra violettes, blaues oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaN, InGaN, A1N, AlGaN, AlGalnN, Al- GalnBN, Phosphid-Halbleiterverbindungen, durch die beispielsweise grünes oder langwelligeres Licht erzeugt werden kann, wie beispielsweise GaAsP, AlGalnP, GaP, AlGaP,InGaAsP sowie weitere Halbleitermaterialien wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, SiC, ZnSe, ZnO, Ga _2Ü3 , Diamant, hexagonales BN und Kombinationen der genannten Materialien. Das stöchiometrische Verhältnis der Verbindungshalbleitermaterialien kann variie ren. Weitere Beispiele für Halbleitermaterialien können Sili zium, Silizium-Germanium und Germanium umfassen. Im Kontext der vorliegenden Beschreibung schließt der Begriff „Halblei ter" auch organische Halbleitermaterialien ein.

Der Begriff „Substrat" umfasst generell isolierende, leitende oder Halbleitersubstrate.

Die Begriffe "lateral" und "horizontal", wie in dieser Be schreibung verwendet, sollen eine Orientierung oder Ausrich tung beschreiben, die im Wesentlichen parallel zu einer ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Dies kann beispielsweise die Oberfläche eines Wafers oder ei nes Chips (Die) sein.

Die horizontale Richtung kann beispielsweise in einer Ebene senkrecht zu einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten liegen.

Der Begriff "vertikal", wie er in dieser Beschreibung verwen det wird, soll eine Orientierung beschreiben, die im Wesentli chen senkrecht zu der ersten Oberfläche eines Substrats oder Halbleiterkörpers verläuft. Die vertikale Richtung kann bei spielsweise einer Wachstumsrichtung beim Aufwachsen von Schichten entsprechen.

Soweit hier die Begriffe "haben", "enthalten", "umfassen", "aufweisen" und dergleichen verwendet werden, handelt es sich um offene Begriffe, die auf das Vorhandensein der besagten Elemente oder Merkmale hinweisen, das Vorhandensein von weite ren Elementen oder Merkmalen aber nicht ausschließen. Die un bestimmten Artikel und die bestimmten Artikel umfassen sowohl den Plural als auch den Singular, sofern sich aus dem Zusam menhang nicht eindeutig etwas anderes ergibt.

Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der Begriff „elektrisch verbunden" eine niederohmige elektrische Verbin dung zwischen den verbundenen Elementen. Die elektrisch ver bundenen Elemente müssen nicht notwendigerweise direkt mitei nander verbunden sein. Weitere Elemente können zwischen elektrisch verbundenen Elementen angeordnet sein.

Der Begriff „elektrisch verbunden" umfasst auch Tunnelkontakte zwischen den verbundenen Elementen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer An ordnung 15 von mehreren Halbleiter-Laservorrichtungen 10 auf einem gemeinsamen Substrat 100. Die Halbleiter-Laservorrich- tung 10 weist einen Schichtstapel 123 auf. Der Schichtstapel 123 umfasst einen ersten Resonatorspiegel 115, einen zweiten Resonatorspiegel 120 sowie eine aktive Zone 110, die zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 115, 120 angeord net ist. Die aktive Zone 110 ist geeignet, elektromagnetische Strahlung zu emittieren. Um einen zentralen Bereich 107 der aktiven Zone 110 ist eine Ladungsträgerbarriere 118 angeord net.

Die aktive Zone kann beispielsweise eine Quantentopf-Struktur, beispielsweise eine einfache Quantentopf-Struktur (SQW, Single Quantum Well) oder eine Mehrfach-Quantentopf-Struktur (MQW, Multi Quantum Well) zur Strahlungserzeugung aufweisen. Die Be zeichnung "Quantentopf-Struktur" entfaltet hierbei keine Bedeutung hinsichtlich der Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte sowie jede Kombination dieser Schichten.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist der Schichtstapel 123 zu Mesas 103 strukturiert. Benachbarte Mesas 103 sind je weils durch einen Graben 104 voneinander getrennt. Der im Rah men der Beschreibung verwendete Begriff "Randbereich" bezeich net dabei einen Rand der jeweiligen Mesa 103. Demgegenüber ist der zentrale Bereich 107 der Halbleiter-Laservorrichtung in einem Mittel- oder zentralen Bereich der jeweiligen Mesa 103 angeordnet .

Eine Ladungsträgerbarriere 118 ist in einem Randbereich 105 der Mesa 103 angeordnet. Der Begriff "Ladungsträgerbarriere" bezeichnet in diesem Zusammenhang einen Bereich, in dem die Bandstruktur der aktiven Zone im Vergleich zum zentralen Be reich 107 der Mesa geändert ist. Beispielsweise ist infolge einer Dotierstoff-Diffusion ein lateraler pn-Übergang im Be reich der aktiven Zone ausgebildet. Zusätzlich kann der Band abstand der QuantentopfStruktur im Bereich der Ladungsträger barriere gegenüber dem Bandabstand im zentralen Bereich ver größert sein. Entsprechend ergibt sich eine veränderte, bei spielsweise vergrößerte Bandlückenenergie im Randbereich der aktiven Zone. Dadurch, dass die Ladungsträgerbarriere im Rand bereich der Halbleiter-Laservorrichtung angeordnet ist, wird eine laterale Diffusion der Ladungsträger aus dem zentralen Bereich der aktiven Zone verringert.

Die Mesas 103 sind dabei durch Gräben 104 sowohl in x- als auch in y-Richtung strukturiert. Eine Abmessung der Mesas 103 kann so gewählt sein, dass die einzelnen Mesas beispielsweise in Draufsicht quadratförmig, rechteckig, hexagonal oder rund ausgebildet sind. Der erste Resonatorspiegel 115 kann jeweils alternierend ge stapelte erste Schichten 115a einer ersten Zusammensetzung und zweite Schichten 115b einer zweiten Zusammensetzung aufweisen. Der zweite Resonatorspiegel 120 kann ebenfalls alternierend gestapelte Schichten 120a, 120b mit jeweils unterschiedlicher Zusammensetzung aufweisen.

Die jeweils alternierend gestapelten Schichten des ersten oder zweiten Resonatorspiegels 115, 120 weisen jeweils unterschied liche Brechungsindizes auf. Beispielsweise können die Schich ten abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n > 3,1) und einen niedrigen Brechungsindex (n < 3,1) haben und als Bragg-Reflek- tor ausgebildet sein.

Beispielsweise kann die Schichtdicke l/4 oder ein Mehrfaches von l/4 betragen, wobei l die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts in dem entsprechenden Medium angibt. Der erste oder der zweite Resonatorspiegel 115, 120 kann beispielsweise 2 bis 50 einzelne Schichten aufweisen. Eine typische Schichtdicke der einzelnen Schichten kann etwa 30 bis 150 nm, beispielsweise 50 nm betragen. Der Schichtstapel kann weiterhin eine oder zwei oder mehrere Schichten enthalten, die dicker als etwa 180 nm, beispielsweise dicker als 200 nm sind. Beispielsweise kann der zweite Resonatorspiegel 120 ein Gesamtreflexionsvermögen von 99,8 % oder mehr für die Laserstrahlung haben. Der erste Re sonatorspiegel 115 kann als Auskoppelspiegel für die Strahlung aus dem Resonator ausgebildet sein und weist beispielsweise ein geringeres Reflexionsvermögen als der zweite Resonatorspiegel auf.

In der aktiven Zone 110 erzeugte elektromagnetische Strahlung kann zwischen dem ersten Resonatorspiegel 115 und dem zweiten Resonatorspiegel 120 derart reflektiert werden, dass sich im Resonator ein Strahlungsfeld 21 für die Erzeugung kohärenter Strahlung (Laserstrahlung) über induzierte Emission in der ak tiven Zone ausbildet. Insgesamt entspricht der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel 115, 120 mindestens der halben effektiven emittierten Wellenlänge (l/2h, wobei n der Brechzahl der aktiven Zone entspricht), so dass sich innerhalb des Resonators stehende Wellen ausbilden können. Die erzeugte Laserstrahlung 30 kann beispielsweise über den ersten Resona torspiegel 115 aus dem Resonator ausgekoppelt werden. Die Halb leiter-Laservorrichtung 10 bildet somit einen sogenannten VCSEL, d.h. oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit Vertikalre sonator („Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser") aus.

Gemäß Ausführungsformen können die alternierend gestapelten Schichten zur Ausbildung des ersten und/oder zweiten Resonator spiegels 115, 120 Halbleiterschichten aufweisen, von denen min destens eine Schicht jeweils dotiert ist. Beispielsweise kann mindestens eine Halbleiterschicht der gestapelten Schichten des ersten Resonatorspiegels 115 mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p- oder n-Typ, dotiert sein. In entsprechender Weise kann mindestens eine der Halbleiterschichten des zweiten Resonatorspiegels 120 mit Dotierstoffen eines zweiten Leitfä higkeitstyps, der vom ersten Leitfähigkeitstyp verschieden ist, beispielsweise n- oder p-Typ, dotiert sein.

Gemäß weiteren Ausführungsformen kann mindestens der erste oder der zweite Resonatorspiegel 115, 120 ausschließlich aus die lektrischen Schichten aufgebaut sein. In diesem Fall weist der Schichtstapel 123 zusätzlich eine erste Halbleiterschicht (nicht gezeigt) vom ersten Leitfähigkeitstyp sowie eine zweite Halb leiterschicht von einem zweiten Leitfähigkeitstyp (nicht ge zeigt) auf. Beispielsweise können in diesem Fall die alternie rend angeordneten dielektrischen Schichten abwechselnd einen hohen Brechungsindex (n > 1,7) und einen niedrigen Brechungsin dex (n < 1,7) haben und als Bragg-Reflektor ausgebildet sein.

Beispielsweise können die Halbleiterschichten des ersten und des zweiten Resonatorspiegels sowie der aktiven Zone auf dem InGaAlP-Materialsystem basieren und Halbleiterschichten der Zusammensetzung In _x Ga _y Ali- _x-y P mit 0 < x, y < 1 und x + y < 1 um fassen.

Gemäß weiteren Ausführungsformen können die Halbleiterschich ten des ersten und des zweiten Resonatorspiegels sowie der ak tiven Zone auf dem AlGaAs-Schichtsystem basieren und jeweils Schichten der Zusammensetzung Al _x Gai- _x As, mit 0 < x < 1 enthal ten.

Die Halbleiter-Laservorrichtung 10 weist darüber hinaus ein erstes elektrisches Kontaktelement 125 sowie ein zweites elektrisches Kontaktelement 130 auf. Beispielsweise sind die Schichten des ersten Resonatorspiegels 115 mit dem ersten elektrischen Kontaktelement 125 verbunden. Über das erste elektrische Kontaktelement 125 sind Ladungsträger eines ersten Leitungstyps (z.B. Löcher)einprägbar.

Weiterhin können die Schichten des zweiten Resonatorspie gels 120 mit dem zweiten elektrischen Kontaktelement 130 ver bunden sein. Ladungsträger eines zweiten Leitungstyps (z.B. Elektronen) können über das zweite elektrische Kontaktelement 130 eingeprägt werden. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Kontaktelement 125, 130 ist die Halbleiter-Laservorrichtung elektrisch pumpbar. Bei spielsweise kann ein Halbleitersubstrat 100 zwischen dem zwei ten Resonatorspiegel 120 und dem zweiten Kontaktelement 130 angeordnet sein. Beispiele für Materialien des Substrats 100 umfassen ein ge eignetes Wachstumssubstrat zum Aufwachsen der vorstehend ge nannten Halbleitermaterialien. Beispielsweise kann das Mate rial des Halbleitersubstrats 100 GaAs oder ein anderes geeig netes Aufwachsmaterial sein.

Dadurch, dass wie vorstehend erläutert, die Ladungsträgerbar riere 118 in einem Randbereich 105 der Halbleiter-Laservor richtung 10 angeordnet ist, kann der Strompfad innerhalb der Halbleiterschichtstruktur 123 gezielt geführt werden. Die la terale Diffusion der Ladungsträger wird reduziert. Entspre chend findet die Emission elektromagnetischer Strahlung insbe sondere in den zentralen Bereichen 107 der Halbleiter-Laser- vorrichtung 10 statt, und es bildet sich eine optische Mode 20 aus.

Dadurch, dass eine laterale Diffusion der Ladungsträger ver ringert wird, wird die Oberflächenrekombination im Bereich der Mesakante 103a verringert. Als Folge ist es möglich, Halblei ter-Laservorrichtung 10 mit kleinerer Pixelgröße d oder Breite der Mesa 103 zu realisieren. Beispielsweise kann eine Mesab- reite d von kleiner als 5 gm und weniger realisiert werden.

Beispielsweise kann die Mesabreite kleiner als 10 gm sein, beispielsweise kleiner als 2 pm. Beispielsweise kann die Me sabreite d mindestens 1 pm betragen. Weiterhin ist es möglich, den Abstand s zwischen benachbarten Mesas 103 auf einen Wert kleiner als 10 pm zu verringern. Beispielsweise kann auch der Abstand s kleiner als 5 pm sein. Der Abstand s kann größer als 1 pm sein.

Als Folge ist es möglich, den Füllfaktor für Anordnungen von Halbleiter-Laservorrichtungen 10 zu vergrößern. Durch das Ein bringen der Ladungsträgerbarriere 118 wird ein verbesserter Überlapp der Bereiche mit hoher Ladungsträgerkonzentration mit der optischen Mode 20 der Halbleiter-Laservorrichtung erzielt. Als Folge werden eine höhere Verstärkung und ein niedrigerer Schwellstrom der Halbleiter-Laservorrichtung erreicht. Weiter hin werden aufgrund der verringerten Oberflächenkombination geringere Verluste, höhere Effizienz und ein niedrigerer Schwellstrom der Halbleiter-Laservorrichtung erreicht.

In Fig. 1 ist mit I eine Richtung der Stromeinprägung schema tisch dargestellt. Weiterhin sind eine optische Mode 20 sowie die Ausbildung einer stehenden Welle durch ein Strahlungsfeld 21 angedeutet.

Die Ladungsträgerbarriere 118 für die laterale Ladungsträger diffusion kann durch eine lokale Eindiffusion von Dotierstof fen erzeugt werden. Wie bereits erwähnt, ist bei der Ladungs trägerbarriere die Bandlücke und insbesondere der Verlauf von Leitungs- und Valenzband erhöht bzw. erniedrigt, so dass die laterale Diffusion der Ladungsträger reduziert wird. Generell wird in das III-V-Halbleitermaterial ein Dotierstoff, wie bei spielsweise Zink, Magnesium oder ein anderes Element der Gruppe II, eingebracht. Durch das Einbringen des Dotierstoffs wird einerseits der Verlauf von Leitungs- bzw. Valenzband ge ändert. Beispielsweise bildet sich ein n/p ⁺ -Übergang, der eine Barriere für Elektronen darstellt. Darüber hinaus kann während des Diffusionsprozesses eine Selbstdiffusion von Gitteratomen in den Quantumwellschichten in Gang gesetzt werden, was eine Vergrößerung der Bandlücke und damit eine weitere Erhöhung der lateralen Ladungsträgerbarriere bewirkt. Diese Veränderung der Bandlücke durch Einbringen von Dopanden („impurities") wird auch als "Impurity Induced Quantum Well Intermixing" bezeich net. Dabei sind es nicht die Defekte, die eine Veränderung der Bandstruktur erzeugen, sondern die Selbstdiffusion von Git teratomen der Quantumwell-Schichten. Diese bestehen aus Wells und Barrieren, die sich in der Zusammensetzung unterscheiden, z.B. InGaAlP mit unterschiedlichem Al-Gehalt. Wird durch den Intermixing-Prozess der Al-Unterschied zwischen Barriere und Well reduziert, so ändert sich die Bandlücke. Für diese Selbstdiffusion von Gitteratomen sind Defekte im Kristall not wendig. Diese können bei hohen Temperaturen durch Lösen ein zelner Gitteratome aus dem Kristall entstehen (es bildet sich dann eine Leerstelle im Gitter und ein Atom auf einem Zwi schengitterplatz) . In diesem Fall werden die Dotierverhält nisse nicht verändert. Man spricht daher von „impurity free intermixing", was z.B. auf Grund geringer Absorption im opti schen Halbleiter vorteilhaft ist und daher z.B. bei Lasern zur Herstellung von nicht-absorbierenden Bereichen an der Laserfa cette verwendet wird. Das Einbringen geeigneter Dopanden er setzt zum einen Gitteratome und erzeugt damit für die Selbst diffusion benötigte Zwischengitteratome, zum anderen beein flusst es über die Erhöhung der Dotierung die Löslichkeit eben dieser Defekte, die deren Existenzwahrscheinlichkeit ent spricht. Damit kann die Aktivierungsenergie für diese Selbst diffusion deutlich abgesenkt werden und der Intermixing-Pro zess daher bei niedrigeren Temperaturen stattfinden. Vorteil haft ist zudem, wenn die Prozessführung durch Wahl geeigneter Prozess-Atmosphäre beim Diffusionsvorgang so gewählt wird, dass die Bildung der für das Quantum Well Intermixing erfor derlichen Defekte unterstützt wird.

Vorliegend wirken Intermixing- und Dotierbarriere also zusam men und die Nachteile leicht erhöhter optischer Verluste kön nen für eine bessere Performance (z.B. kleinere Pixelgröße) des Bauelementes in Kauf genommen werden. Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer An ordnung von Halbleiter-Laservorrichtungen 10 gemäß weiteren Ausführungsformen . Zusätzlich zu den in Fig. 1 dargestellten Komponenten der Halbleiter-Laservorrichtungen 10 sind hier vergrabene Oxidschichten 112 in einem Randbereich 105 der je weiligen Mesas 103 oder der Halbleiter-Laservorrichtung 10 an geordnet. Die vergrabene Oxidschicht 112 kann beispielsweise durch Oxidation des Halbleitermaterials, beispielsweise von einer Seitenwand der Mesa 103 hergestellt werden.

Die vergrabene Oxidschicht 112 stellt dabei die üblicherweise verwendete Oxidapertur dar. Die vergrabene Oxidschicht 112, die in einem zentralen Bereich 107 der Halbleiter-Laservor richtung 10 nicht vorhanden ist, ist beispielsweise zwischen der aktiven Zone 110 und dem ersten Resonatorspiegel 115 ange ordnet. Sie kann aber auch an anderer Stelle innerhalb des Schichtstapels 123 angeordnet sein. Bei Anwesenheit der ver grabenen Oxidschicht 112 kann ein zusätzlicher optischer Ein schluss bzw. Confinement der optischen Mode 20 erzielt werden, da die vergrabene Oxidschicht 112 einen anderen Brechungsindex als die angrenzende Halbleiterschicht hat. Generell schnürt die Oxidapertur 112 den Stromfluss auf den zentralen Bereich der Mesa ein, verhindert aber nicht die laterale Diffusion von Ladungsträgern in der aktiven Zone 110 zur Mesakante. Die hier dargestellte Kombination mit der Ladungsträgerbarriere erlaubt einen wesentlich geringeren Abstand der Mesakante vom zentra len Bereich und somit Laservorrichtungen 10 mit wesentlich kleineren lateralen Abmessungen.

Die Figuren 3A bis 3C veranschaulichen ein Verfahren zur Her stellung einer Halbleiter-Laservorrichtung 10 bzw. einer An ordnung 15 von Halbleiter-Laservorrichtungen 10. Ausgangspunkt für die Durchführung eines Verfahrens ist ein Werkstück, welches einen Schichtstapel 123 aufweist. Der Schichtstapel umfasst einen ersten Resonatorspiegel 115, einen zweiten Resonatorspiegel 120 sowie eine aktive Zone 110, die zwischen dem ersten und zweiten Resonatorspiegel 115, 120 an geordnet ist. Beispielsweise kann der Schichtstapel auf einem Wachstumssubstrat 100 angeordnet sein.

Zunächst werden, wie in Fig. 3A veranschaulicht ist, Gräben 104 in einer ersten Hauptoberfläche 101 des Werkstücks, bei spielsweise in einer Hauptoberfläche der Schichten, welche den ersten Resonatorspiegel 115 darstellen, ausgebildet, bei spielsweise durch Ätzen.

Beispielsweise kann diese Ätzung mit Hilfe einer fotolithogra fisch strukturierten Maske erfolgen, die nicht zu ätzende Be reiche des Werkstücks bedeckt und zu ätzende Bereiche offen lässt. Beispielsweise kann zum Ätzen eine Hartmaske, die Sili ziumdioxid, Siliziumnitrid oder eine Kombination dieser Mate rialien enthält, verwendet werden. Diese Hartmaske bedeckt die Oberfläche der Mesa 103 und kann auch bei einem nachfolgenden Diffusionsprozess als Schutz verwendet werden. Beispielsweise können Öffnungen der Maske eine Abmessung haben, die dem Ab stand der zu definierenden Mesas 103 entspricht. Weiterhin kann eine Abmessung des abgedeckten Teils einer Abmessung der zu erzeugenden Mesas 103 entsprechen. Die Ätztiefe ist derart bemessen, dass sich die Gräben 104 nicht bis zur aktiven Zone 110 erstrecken. In Fig. 3A ist mit dem Pfeil 132 die Ätzung, die beispielsweise eine anisotrope Ätzung sein kann, darge stellt.

Nachfolgend wird ein Prozess zur lokalen Dotierstoffdiffu- sion 134 durch die definierten Gräben 104, insbesondere durch einen Bodenbereich der Gräben 104 durchgeführt. Wie bereits erwähnt, kann die lokale Diffusion von Dotierstoffen mit Zink, Magnesium oder beispielsweise eines anderen Elements der Gruppe II erfolgen.

Die Diffusion kann beispielsweise aus der Gasphase erfolgen. Gemäß Ausführungsformen kann auch ein Precursormaterial oder dessen Zerlegungsprodukte auf dem Halbleitermaterial abge schieden und nachfolgend diffundiert werden. Beispielsweise kann die Diffusion bei niedrigen Temperaturen stattfinden, so dass das Halbleiterbauelement durch den Diffusionsprozess nicht oder nicht sehr geschädigt wird.

Als Ergebnis des Diffusionsprozesses wird, wie in Fig. 3B dar gestellt ist, eine Ladungsträgerbarriere 118 in einem Randbe reich der Mesa 103 erzeugt. Fig. 3B zeigt weiterhin eine Aus dehnung eines Diffusionsbereichs 135, d.h. eine Grenze, bis zu der beispielsweise die Dotierstoffe diffundieren können. Wie in Fig. 3B dargestellt ist, sind die Diffusionsbereiche 135 mit einer etwas breiteren lateralen Ausdehnung als der Breite der Gräben 134 angeordnet. Als Folge erstreckt sich die La dungsträgerbarriere bis in einen Randbereich der Mesa 103.

In einem zentralen Bereich 107 der Mesa 103 verbleibt die ak tive Zone 110 mit weitgehend unveränderter Bandstruktur. Nach folgend kann gegebenenfalls eine lokale Oxidation durchgeführt werden, um im Randbereich 107 der Mesa 103 die in Fig. 2 dar gestellte vergrabene Oxidschicht 112 von der Seitenwand der Gräben 104 her zu erzeugen.

In einem nachfolgenden Schritt kann, wie in Fig. 3C darge stellt ist, ein Füllmaterial 137 in die Gräben 104 eingebracht und planarisiert werden, um nachfolgend eine einfachere Kon taktierung zu ermöglichen. Beispiele für das Füllmaterial 137 umfassen beispielsweise BCB (Benzocyclobuten), Siliziumoxid oder andere isolierende Materialien. Weiterhin können erste Kontaktbereiche 125 über der ersten Hauptoberfläche 101 des Werkstoffs bereitgestellt werden.

Beispielsweise kann ein transparentes leitfähiges Material, beispielsweise ein leitfähiges Metalloxid aufgebracht und ent sprechend strukturiert werden. Weiterhin kann beispielsweise ein zweiter Kontaktbereich 130 an der zweiten Hauptoberflä che 102 des Werkstücks aufgebracht werden.

Gemäß Ausführungsformen kann nach Durchführen des Diffusions prozesses ein weiterer Ätzprozess durchgeführt werden, um die aktiven Zonen 110 benachbarter Halbleiter-Laservorrichtungen 10 voneinander zu trennen oder zu isolieren.

Die Figuren 4A und 4B veranschaulichen ein Verfahren zur Her stellung einer Halbleiter-Laservorrichtung gemäß weiteren Aus führungsformen. Abweichend von den in den Figuren 3A und 3B dargestellten Ausführungsformen wird gemäß diesen Ausführungs formen die Ätzung 132 bis zu einer Tiefe durchgeführt, die sich unterhalb der Unterkante der aktiven Zone 110 befindet. Als Folge wird die aktive Zone 110 lokal durchtrennt, wie in Fig. 4A dargestellt ist.

Nachfolgend wird, wie in Fig. 4B dargestellt ist, die lokale Diffusion von Dotierstoffen 134 durchgeführt. Dieses Verfahren kann in ähnlicher Weise, wie unter Bezugnahme auf Fig. 3B er läutert, durchgeführt werden. Als Folge erstreckt sich die La dungsträgerbarriere 118 von den Gräben 104 aus seitlich in die aktive Zone 118 hinein. Dies ist in Fig. 4B veranschaulicht, die wiederum den Diffusionsbereich 135 veranschaulicht. Als Ergebnis wird analog wie in Fig. 3B eine Ladungsträgerbarriere 118 in einem Randbereich 105 der Mesa erzeugt. In einem zentralen Bereich 107 der Mesa 103 liegt jeweils die aktive Zone 110 mit im Wesentlichen unveränderter Bandstruktur vor.

Nachfolgend kann die Halbleiter-Laservorrichtung in entspre chender Weise wie unter Bezugnahme auf Fig. 3C weiter bearbei tet werden. Es kann in die Gräben 104 ein Füllmaterial einge bracht und planarisiert werden. Weiterhin können die Kontakt bereiche 125, 130 vorgesehen werden.

Fig. 5 zeigt eine optoelektronische Vorrichtung 40 mit einer Anordnung 15 von Halbleiter-Laservorrichtungen 10 wie vorste hend erläutert gemäß Ausführungsformen. Beispielsweise ist wie vorstehend erläutert das Füllmaterial 137 in die Gräben 104 eingebracht .

Weiterhin sind die ersten Kontaktbereiche 125 ausgebildet. Beispielsweise können die ersten Kontaktbereiche 125 über den jeweiligen Mesas 103 ausgebildet werden. Ein Umbond-Prozess kann durchgeführt werden, durch welchen das Werkstück auf ei nen Träger 140, der ein beliebiges Material, das entsprechend den Anforderungen des Bauelements ausgewählt ist, enthalten kann. Beispielsweise kann der Träger 140 ein isolierendes oder ein Halbleitermaterial, beispielsweise Germanium oder Silizium enthalten. Weiterhin können die ersten Kontaktbereiche 125 in dividuell ansteuerbar sein, beispielsweise über einen externen Treiber, der außerhalb des Trägers 140 angeordnet ist.

Nach Umbonden des Werkstücks auf den Träger 140 kann das Wachstumssubstrat entfernt werden. Weiterhin können auf der zweiten Hauptoberfläche des Werkstücks zweite Kontaktelemente bereitgestellt werden. Beispielsweise kann eine transparente leitfähige Schicht als zweiter Kontaktbereich 130 aufgebracht werden. Ein Metall des zweiten Kontaktbereichs 130 kann bei spielsweise ein leitfähiges Metalloxid, beispielsweise ITO (Indiumzinnoxid) enthalten. Weiterhin kann ein zweites Kontak telement 131 über dem zweiten Kontaktbereich 130 ausgebildet werden. Beispielsweise kann eine leitfähige Schicht, bei spielsweise eine metallische Schicht, strukturiert werden, so- dass die metallischen Bereiche des zweiten Kontaktelements 131 in Bereichen der Gräben 104 vorliegen, während Bereiche über der Mesa 103 jeweils unbedeckt sind.

Wie in Fig. 5 veranschaulicht, kann beispielsweise die Lichte mission 30 über die zweite Hauptoberfläche 102 der optoelekt ronischen Vorrichtung erfolgen. Gemäß Fig. 5 ist ein zweiter Kontaktbereich 130 für die Anordnung 15 mehrerer Halbleiter- Laservorrichtungen 10 vorgesehen. Der zweite Kontaktbereich 130 kann über das zweite Kontaktelement 131 kontaktiert wer den. Die einzelnen Halbleiter-Laservorrichtungen 10 sind je weils einzeln über die ersten Kontaktbereiche 125 ansteuerbar.

Fig. 6 zeigt eine optoelektronische Vorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen . Die optoelektronische Vorrichtung 40 um fasst wieder eine Anordnung 15 von Halbleiter-Laservorrichtun- gen 10. Ein Schaltungssubstrat 142 mit einer Ansteuerschaltung 128 ist über der ersten Hauptoberfläche 101 des Werkstücks aufgebracht. Beispielsweise kann eine ASIC (anwendungsspezifi sche integrierte Schaltung, "application-specific integrated Circuit") in dem Schaltungssubstrat 142 vorgesehen sein. Das Schaltungssubstrat 142 kann beispielsweise ein Siliziumsub strat sein, in dem entsprechende Schaltungskomponenenten aus gebildet sind. Dadurch wird eine Ansteuerschaltung 128 bereit gestellt, die jeweils die ersten Kontaktelemente 126, die je weils mit den ersten Kontaktbereichen 125 elektrisch verbunden sind, individuell ansteuern kann.

In ähnlicher Weise wie unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrie ben, kann ein gemeinsamer zweiter Kontaktbereich 130 auf einer zweiten Hauptoberfläche des Werkstücks aufgebracht sein. Wei terhin können zweite Kontaktelemente 131 über dem zweiten Kon taktbereich 130 angeordnet sein. Somit sind die zweiten Kon taktbereiche 130 zwischen den zweiten Kontaktelementen 131 und der zweiten Hauptoberfläche 102 angeordnet. Die zweiten Kon taktelemente 131 können jeweils strukturiert sein. Eine Lichtemission 30 kann über die zweite Hauptoberfläche 102 der optoelektronischen Vorrichtung erfolgen.

Dadurch lässt sich beispielsweise ein individuell adressierba res m Pixel-Display bzw. Mikro-Display mit dem Vorteil einer gerichteten Abstrahlung realisieren.

Beispielsweise kann die optoelektronische Vorrichtung eine An zeigevorrichtung mit einer Vielzahl von Emittern sein. Die Emitter können beispielsweise jeweils einem lichtemitierenden Element in einer einzelnen Mesa 103 entsprechen. Die Anzeige vorrichtung kann beispielsweise mehr als 100 x 100 Emitter, beispielsweise 1000 x 1000 Emitter umfassen. Die einzelnen Emitter können jeweils eine Größe von kleiner als 10 pm, etwa 1 pm und einen Abstand von kleiner 10 pm, beispielsweise 4,5 pm haben. Entsprechend hätte eine optoelektronische Vor richtung eine Größe von etwa 5 x 5 mm ² . Derartige Anzeigevor richtungen können beispielsweise in „Augmented Reality"-Anwen- dungen verwendet werden.

Fig. 7 fasst ein Verfahren gemäß Ausführungsformen zusammen. Ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung von Halbleiter- Laservorrichtungen umfasst das Ausbilden (S100) von Gräben in einem Schichtstapel, der einen ersten Resonatorspiegel, einen zweiten Resonatorspiegel sowie eine aktive Zone, die zwischen dem ersten und dem zweiten Resonatorspiegel angeordnet ist.

Das Verfahren umfasst weiterhin das Ausbilden (S110) einer La dungsträgerbarriere in einem Randbereich der aktiven Zone. Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben worden sind, werden Fachleute erkennen, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Ausgestal tungen ersetzt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfin dung abzuweichen. Die Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungs formen abdecken. Daher wird die Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Halbleiter-Laservorrichtung

15 Anordnung von Halbleiter-Laservorrichtungen

20 optische Mode

21 Strahlungsfeld

30 emittierte Strahlung

40 optoelektronische Vorrichtung

100 Substrat

101 erste Hauptoberfläche

102 zweite Hauptoberfläche

103 Mesa

103a Mesakante

104 Graben

105 Randbereich

107 zentraler Bereich

110 aktive Zone

112 vergrabene Oxidschicht

115 erster Resonatorspiegel

118 Ladungsträgerbarriere

120 zweiter Resonatorspiegel

123 Schichtstapel

125 erster Kontaktbereich

126 erstes Kontaktelement

128 Ansteuerschaltung

130 zweiter Kontaktbereich

131 zweites Kontaktelement

132 Ätzung

134 Dotierstoffdiffusion

135 Diffusionsbereich

137 Füllmaterial

140 Träger

142 Schaltungssubstrat