光电的半导体元件的制作方法

专利名称：光电的半导体元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光电的半导体元件。
本专利申请要求德国专利申请102006017572.7和德国专利申请 102006024220.3的优先权，这两份专利申请的公开内容在此通过引用 被吸收在本专利申请中。
背景技术：
公开文献WO 2005/048424A1说明了 一种光电的半导体元件。

发明内容
本发明的任务是，说明一种光电的半导体元件，其中在运行中产 生的热量可以特别有效地散发到周围环境中，
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述半导体元 件包括一个半导体本体。优选该半导体本体外延沉积到生长基质上。
按照所述半导体元件的至少一种实施方式，所述半导体本体具有 垂直发射极区域。所述垂直发射极区域包括垂直发射极层。所述垂直 发射极层则构成所述垂直发射极区域的活性的区域。所述垂直发射极 层设置用于产生电磁辐射。这意味着，所迷垂直发射极层在所述半导 体元件运行时产生电磁辐射场。所述垂直发射极层为此优选包括量子 势阱结构(Quantentopfstruktur )，尤其优选多重量子势阱结构。量子 势阱结构这个名称在此包括每种这样的结构，在这样的结构中载流子 可以通过包封("confinement")来得到其能量状态的量子化。尤其 量子势阱结构这个名称不包含任何关于量子化的尺度的说明。由此， 该名称此外包括量子槽(Quantentriige)、量子线(Quantendrahte) 和量子点(Quantenpunkte)以及这些结构的每种组合。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述半导体本 体包括至少一个抽运源。所述抽运源设置用于光学抽运所述垂直发射 极层。优选所述抽运源整体地集成在所述半导体本体中。整体地集成 意味着，所述抽运源连同所述垂直发射极区域在一个共同的生长过程 中外延生长。这意味着，所述半导体本体包括所述外延生长的垂直发 射极区域以及外延生长的抽运源。按照至少一种实施方式，所述半导体本体具有辐射穿透表面。在 所述垂直发射极区域中产生的电磁辐射的至少一部分通过所述辐射穿 透表面离开所述半导体本体。所述辐射穿透表面比如由所述半导体本 体的优选横向于半导体本体的生长方向延伸的主表面的至少一部分构 成。比如所述生长方向垂直于所述主表面。
按照所述半导体元件的至少一种实施方式，所述抽运源和所述垂 直发射极层彼此垂直地隔开。换句话说，也就是所述抽运源垂直地布 置在所述垂直发射极层的前面和/或后面。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述半导体元 件包括半导体本体。该半导体本体则具有表面发射性的垂直发射极区 域，而该垂直发射极区域则包括垂直发射极层。此外，所述半导体本 体具有至少一个设置用于光学抽运所述垂直发射极层的抽运源。此外， 所述半导体本体具有辐射穿透表面，在所述垂直发射极层中产生的电 磁辐射通过该辐射穿透表面离开所述半导体本体，其中所述抽运源和 垂直发射极层沿垂直方向相互隔开。
按照所述半导体元件的至少一种实施方式，所述抽运源布置在所 述垂直发射极层和辐射穿透表面之间。换句话说，也就是所述抽运源 垂直地布置在所述垂直发射极层的前面或者后面，其中所述半导体本 体的辐射穿透表面布置在所述抽运源的背向垂直发射极层的一面上。 比如所述抽运源沿所述半导体本体的生长方向跟随在所述辐射穿透表 面的后面。而后所述垂直发射极层沿所述半导体本体的生长方向跟随 在所述抽运源的后面。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述半导体元 件包括一个半导体本体。该半导体本体具有表面发射性的垂直发射极 区域，该垂直发射极区域则包括垂直发射极层。此外，所述半导体本 体具有至少一个设置用于光学抽运所述垂直发射极层的抽运源。此外， 所述半导体本体具有辐射穿透表面，在所述垂直发射极层中产生的电 磁辐射通过该辐射穿透表面离开所述半导体本体，其中所述抽运源布 置在所述垂直发射极层和所述半导体本体的辐射穿透表面之间。
按照所述半导体元件的至少一种实施方式，所述垂直发射极层布 置在所述抽运源和辐射穿透表面之间。换句话说，也就是所述垂直发 射极层垂直地布置在所述抽运源的前面或者后面，其中所述半导体本体的辐射穿透表面布置在所述垂直发射极层的背向抽运源的一面上。 比如所述垂直发射极层沿所述半导体本体的生长方向跟随在所述抽运 源的后面。而后所述辐射穿透表面沿所述半导体本体的生长方向跟随 在所述垂直发射极层的后面。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述半导体元 件包括半导体本体。该半导体本体具有表面发射性的垂直发射极区域， 该垂直发射极区域则包括垂直发射极层。此外，所述半导体本体具有 至少一个设置用于光学抽运所述垂直发射极层的抽运源。此外，所述 半导体本体具有辐射穿透表面，在所述垂直发射极层中产生的电磁辐
射通过该辐射穿透表面离开所述半导体本体，其中所述垂直发射极层 布置在所述抽运源和所述半导体本体的辐射穿透表面之间。
此外，这里所说明的光电的半导体元件以以下认识为基础 一方 面通过所说明的将垂直发射极层、抽运源和辐射穿透表面布置在半导 体本体中的方式可以将所述垂直发射极层和抽运源构造为垂直地相互
隔开的-比如外延地先后生长的-层序列(Schichtfolge)。 一种这样的结 构在所述半导体本体的区域的材料及尺寸选择方面实现了大量的方 案。由此比如可以在宽的限度内调节用于光学抽运所述垂直发射极层 的抽运辐射的波长和/或由所述垂直发射极层垂直发射的辐射的波长。
此外，所说明的结构实现了这一点，即所述半导体本体以垂直发 射极区域所在的一面热连接到导热体比如支座上。这实现了特别有效
量。由此比如实现了所述光电的半导体元件在时间上特别稳定的 (连续波)-激光运行模式。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述垂直发射 极层布置在所述半导体本体的台型结构中。也就是说，所述半导体本 体从一面被局部剥蚀。由此产生一种凸起，即台型结构，所述垂直发 射极层处于该凸起中。比如半导体本体中的台型结构借助于蚀刻方法 来产生。按照至少一种实施方式，给所述台型结构的周围环境至少局 部地涂上具有特别好的导热性能的材料。也就是说，在所述台型结构 的周围环境中并且必要时也在所述台型结构的侧面及覆盖面上将材料 施加到所述半导体本体上。
优选所述材料包括至少一种金属或者所述材料由至少一种金属制成。在此优选使用下列金属中的至少一种铜、金、银。
优选所述材料如此在所述台型结构的周围环境中施加到所述半导 体本体上，即给所述台型结构涂上所述材料。也就是说，比如所述材 料如此施加到所述半导体本体的背向所述辐射穿透表面的表面上，使 得所述台型结构以及所述台型结构的周围环境被所述材料所覆盖。优 选而后所述半导体本体的这一面通过所述材料而平面化。也就是说， 比如以如此厚度施加所述材料，使得其具有和所述台型结构相同的高 度或者所述台型结构被所述材料所超过。在此所述台型结构尤其也可 以完全被所述材料所包围。
优选所述半导体本体以背向所述辐射穿透表面的一面固定在导热 体比如支座上。
按照至少一种实施方式，所述半导体本体的背向所述辐射穿透表 面的一面具有所述带有垂直发射极层的台型结构以及所述台型结构的 周围环境，在该台型结构的周围环境中所述半导体本体被局部剥蚀， 从而在那里比如露出所述抽运源的接触层。
也就是说，而后在导热体和半导体本体之间的区域至少局部地被 所述材料所填充。优选-除所述台型结构以外-在半导体本体和导热体之 间的整个区域被所述材料所填充。
此外，这里所说明的光电的半导体元件在此利用了这样的构思， 即通过所述抽运源的露出并且通过借助于所述材料将所述抽运源及所 述包含垂直发射极层的台型结构热耦合到所述导热体上这种方式能够 特别有效地对所述垂直发射极层和抽运源进行冷却。由此，所述台型 结构以及所述将该台型结构包围的材料有助于在所述半导体元件运行 时进一步改进散热。由此比如能够实现所述半导体元件的在时间上特 别恒定的CW-激光运行模式。优选所述材料除了其良好的导热性能之 外也具有特别好的导电性能，从而借助于所述材料也能够电接触所述 抽运源。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述材料以电 镀方式沉积在所述台型结构的周围环境中。在此，被沉积的层比如是 Ag-、 Au-或者Ag/Au-电镀材料。
除此以外，所述材料也可以构造为结构化的散热片。然后，在该结构结构化。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，设置所迷半导 体本体的限定所述台型结构的侧面至少局部地用于将抽运辐射
(Pumpstrahhmg)导向所述垂直发射极层。优选所述台型结构的侧面 适合于将抽运辐射朝所述垂直发射极层的方向反射。这意味着，来自
在所述台i结构、的侧面-也就是在台型结构侧面-上被反p射。被反射:抽
运辐射又进入所述垂直发射极层中。由此提高抽运辐射在所述垂直发 射极层中被吸收的可能性。所述抽运辐射因此可以有针对性地在多次 穿行中得到利用。
优选所述台型结构的侧面至少局部地-尤其优选完全地-涂上具有 至少80%的反射性的材料。所述材料优选对所述抽运辐射的波长范围 来说具有高反射性。比如所述材料可以是金属或者是具有透明的钝化 层以及反射性的金属层的层序列。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，如此选择所述 台型结构的侧面的形状，使得所述台型结构侧面有针对性地将抽运辐 射反射到所述垂直发射极层中。比如所述台型结构的侧面可以至少局 部地按照下列光学的基础元件之一的类型来构造截锥镜组、棱锥台 镜组、组合的抛物线的集中器(CPC-compound parabolic concentrator)、组合的椭圆形的集中器(CEC-醒pound elliptic concentrator)、组合的双曲线的集中器(CHC誦compound hyperbolic concentrator)。这意味着，所述台型结构至少局部地按照截锥、棱锥 台、抛物线、椭圆形、双曲线或类似样式来成形构造。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述垂直发射 器区域包括布拉格(Bragg)-反射镜结构。优选所述布拉格-反射镜结 构布置在所述垂直发射极层的背向所述抽运源的一侧上。特别优选所 述布拉格-反射镜结构不含掺杂材料。
此外，这里所说明的光电的半导体元件在此利用这样的认识，即 通过未掺杂的布拉格-反射镜结构来相对于掺杂的布拉格-反射镜结构 明显降低比如来自所述垂直发射极层的自由载流子的吸收。由此，与 掺杂的布拉格-反射镜结构相比，可以将在所述垂直发射极层中产生辐 射的效率提高至少因数2。按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述元件包括 至少一个另外的反射镜，该反射镜与所述布拉格-反射镜结构一起形成 用于在所述垂直发射极层中产生的电磁辐射的激光谐振腔。比如所述 反射镜可以是没有整体地与所述半导体本体集成在一起的外部的反射 镜。也就是说，所述反射镜而后比如没有外延地与所述半导体本体的 其余区域进行生长。但是，所述另外的反射镜也可以是整体地集成在 所述半导体本体中的布拉格-反射镜结构。所述另外的布拉格-反射镜结 构而后可以布置在所述抽运源的背向所述辐射穿透表面或者朝向所述 辐射穿透表面的一侧上。
按照所述光电的元件的至少一种实施方式，在激光谐振腔中布置 了光学元件，该光学元件与所述半导体本体处于热接触之中。也就是 说，所述光学元件至少承担双重功能。 一方面，该光学元件拥有特定 的光学性能并且由此设置用于对在谐振腔中环绕的电磁辐射进行光学 处理。另一方面，该光学元件用作与所述半导体本体处于热接触之中 的散热器。通过这种方式，该光学元件有助于进一步改进所述半导体 元件的热量管理。比如所述光学元件固定到所述半导体本体的辐射穿 透表面上。
按照至少一种实施方式，所述光学元件具有下列光学性能中的至
少一项光学性能选频、频率倍增、反射、光学折射。比如所述光学 元件可以是下列光学元件中的一种光学元件校准器、双折射的滤波 器、光学上非线性的晶体、反射镜、透镜。
按照至少一种实施方式，所述光学元件包含以下材料中的一种材 料或由其制成金刚石、碳化硅(SiC)。所述光学元件在此沿从所述 半导体本体中射出的电磁辐射的方向优选具有处于20微米到70微米
之间的、优选处于30微米到60微米之间的厚度。在此所述光学元件 比如构成金刚石-校准器或碳化硅-校准器。也就是说，所述光学元件可 以相应地构造成反射性的。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，在所述半导体 元件的谐振腔中布置了在光学上非线性的晶体。在此所述在光学上非 线性的晶体可以是与所述半导体本体处于热接触之中的光学元件。但 是所述在光学上非线性的晶体也可以是与所述半导体本体隔开地布置 在所述激光谐振腔中的附加的光学元件。优选所述在光学上非线性的晶体设置用于在谐振腔中环绕的电磁辐射的至少一部分的频率变换。
按照所述激光装置的至少一种实施方式，所述在光学上非线性的
晶体包括以下晶体中的至少一种三硼酸锂比如LiB305 (LBO)、硼 酸铋比如BiB306 (BiBO)、磷酸氧钛钾KTiOP04 ( KTP )、掺杂氧 化镁的匹配适应的铌酸锂比如MgO: LiNb03 (MgO: LN)、掺杂氧 化镁的化学当量的铌酸锂比如MgO: s-LiNM)3 (MgO: SLN)、掺杂 氧化镁的化学当量的钽酸锂比如MgO: LiTa03(MgO: SLT)、化学 当量的LiNb03( SLN )、化学当量的LiTa03( SLT )、 RTP( RbTiOPO4 )、 KTA ( KTiOAs04) 、 RTA ( RbTiOAs04 ) 、 CTA ( CsTiOAs04)。
优选所述在光学上非线性的晶体适合于从该晶体中穿过的辐射的 双倍增频。
不过，除了这里所列出的用于频率变换的晶体之外，作为替代方 案或者补充方案也可以在所述激光器的谐振腔中布置其它适合于频率 变换的晶体或者材料。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述激光谐振 腔具有最高IO毫米的长度。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述激光谐振 腔具有最高5毫米的长度。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述激光谐振 腔具有最高0.25毫米的长度。
这样短的谐振腔长度允许特别高的大于10MHz的调制频率，而不 需要处于谐振腔外部的调制装置。这样高的调制频率证实特别有利， 如果所述光电的半导体元件应用在光学的投影设备比如激光投影仪 中，在所述光学投影设备中借助于所谓的"flyingspot (飞点)"技术 来产生投影图像。
按照所述光电的半导体元件的至少一种实施方式，所述抽运源具 有被蚀刻的激光面(Laserfacette)。所述被蚀刻的激光面而后形成用 于所述抽运源的激光谐振腔的反射镜。优选所述激光面构造为后向反 射器。这样的被蚀刻的激光面比如在公开文献WO2005/048423中得到 说明，该公开文献的在蚀刻的激光面方面的公开内容通过引用被吸收 到本申请中。


下面借助于实施例和所属的附图对这里所说明的半导体元件进行 详细解释。
在实施例和附图中，相同的或者起相同作用的组成部分分别用相 同的附图标记来表示。所示出的元件不应视为按比例的，更确切地说，
为更好的理解起见，各个元件可能夸大地示出。其中
图1是按第一实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖 面图，
图2是按第二实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖 面图，
图3是按第三实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖 面图，
图4是按第四实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖 面图，
图5是按第五实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖 面图，
图6是按第六实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖 面图，
图7是按第七实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖 面图，
图8是按第八实施例的这里所说明的光电的半导体元件的示意剖 面图，
图9A、 9B、 9C、 9D、 9E、 9F是按不同的实施例的这里所说明的 光电的半导体元件的示意俯视图，
图IOA、 IOB、 IOC、 10D是按不同的实施例的这里所iJl明的光电 的半导体元件的示意俯视图。
具体实施例方式
图1示出了这里所说明的光电的半导体元件的第一实施例的示意 剖面图。
所述半导体元件包括半导体本体1 。该半导体本体1则包括生长基 质8。所述生长基质8比如是n-掺杂的GaAs (砷化镓)-基质。该生长 基质8优选减薄。也就是说，所述生长基质8的厚度优选在结束外延 生长之后减小。在此也可以将所述生长基质8完全去除。优选所述生长基质8的厚度处于100到200微米之间。
在所述半导体元件的结合图1所说明的实施例中，在所述生长基 质8中加入开口 25。所述开口 25比如可以通过蚀刻来产生。在所述开 口 25中，露出所述半导体本体1的辐射穿透表面26。在所述开口 25 的区域中优选完全去除所述生长基质8。
抽运源4以及垂直发射极区域2跟随在所述生长基质8的后面。 抽运源4和垂直发射极区域2先后外延沉积到所述生长基质8上并且 由此共同整体地集成到所述半导体本体l中。
所述垂直发射极区域2包括第一反射镜7。所述第一反射镜7优选 是一种布拉格-反射镜结构。作为替代方案，所述第一反射镜7也可以 构造为金属反射镜或者电介质的反射镜或者构造为所列出的三种反射 镜类型中的至少两种的组合。特别优选所述第一反射镜7是一种不含 掺杂材料的布拉格-反射镜结构。相对于掺杂的反射镜，在不含掺杂材 料的布拉格-反射镜结构中，有利地减少了来自所述垂直发射极区域2
的垂直发射极层3的自由载流子的吸收。
所述第一反射镜7优选形成用于在所述垂直发射极层3中产生的 电磁辐射的谐振腔反射镜。
在所述半导体元件运行时，从所述垂直发射极层3中发射出电磁 辐射31，比如红外的、可见的或紫外的辐射。所述垂直发射极层3优 选包含III-V-化合物半导体材料，尤其是InxAlyGa^.yN、 InxAlyGa^.yP 或者IiixAlyGa^yAs,其中0^x^1， 0舀y^ 1并且x+y^ 1。
此外，所述垂直发射极层3可以包含II-VI化合物半导体材料比如 Zn!Se或ZnO。
所述垂直发射极层3比如构造为单一-异质结构、双重-异质结构、 简单-量子势阱结构(Quantentopfstmktur)或者特别优选构造为多重-量子势阱结构。
优选所述垂直发射极层3的量子势阱结构适合于吸收在所述抽运 源4中产生的电磁辐射。也就是说，抽运辐射的吸收优选不是在布置 在所述垂直发射极区域2中的额外的阻挡层中进行，而是所述抽运辐 射在所述垂直发射极层3的量子势阱结构中被吸收并且在那里激发产 生电磁辐射31。
朝所述半导体本体l的辐射穿透表面26的方向，在所述垂直发射极层3的后面在所述垂直发射极区域2中跟随着垂直的波导层14。优 选为具有最高30微米的层厚度的波导层14选择比较厚的厚度。特别 优选所述波导层14的层厚度处于半微米和5微米之间。在该实施例中， 所述波导层14的层厚度大约为1.5微米。优选所述波导层14包含铝-镓-砷化物，其中铝浓度大约为6%。所述波导层14设置用于在所述抽 运源4中产生的抽运辐射的扩展。也就是说，所迷抽运辐射优选通过 所述波导层14的折射率分布导送到所述垂直发射极层3中，在那里所 述抽运辐射至少部分地被吸收并且用于产生辐射。
朝所述半导体本体1的辐射穿透表面26的方向，在所述波导层14 后面跟随着至少一个蚀刻停止层15。所述蚀刻停止层15 —方面形成选 择性的蚀刻停止层。借助于所述蚀刻停止层15，可以使高掺杂的接触 层18暴露在抽运源4下，并且通过这种方式建立台型结构6，该台型 结构6比如包括所述第一反射镜7、垂直发射极层3以及波导层14。 另一方面所述蚀刻停止层15用于改进抽运辐射从抽运源到所述垂直发 射极层3中的输入。
朝所述半导体本体l的辐射穿透表面26的方向，在所述蚀刻停止 层15的后面跟随着高掺杂的接触层18。高掺杂的接触层18实现了以 微小的接触和串联电阻进行类-欧姆的接触，用于接触所述抽运源4。 优选所述接触层18具有尽可能小的层厚度。所述高掺杂的接触层18 比如掺杂有p-掺杂材料并且具有至少10"cnT3的掺杂材料浓度。优选 所述接触层18布置在所述在垂直发射极层3中产生的电磁幅射31的 光学的驻波场(Stehwellenfeld )的节点中。由此有利地减少了可能的 损耗机制(Verlustmechanismen )-比如在高掺杂的接触层18中自由栽 流子的吸收。
为接触所述抽运源4，优选借助于透明的接触层16来接触所述高 掺杂的接触层18，所述接触层16比如可以包含ZnO、 ITO或者其它 的TCO画材料(TCO-transparent conductive oxide (透明导电氧化物)) 或者由这些材料中的一种材料制成。此外，从所述垂直发射极区域2 到抽运源4的过渡区域可以包括其它的层。
比如在所述高掺杂的接触层18和透明的接触层16之间可以布置 多个具有高的铝浓度的层。比如这些层是局部氧化的AlxGai_xAs层。 高铝含量的层优选在侧面通过蚀刻结构化并且部分地局部氧化。在这些局部氧化的AlxOy区域中，可以实现所述抽运辐射的特别好的波导效 果，其中x比如大于等于0.98。在局部区域中所述高铝含量的层的氧 化在那里导致较大的大约1.4的折射率变化，并且能够在局部沿垂直方 向实现抽运光的强烈的光学波导。在所述垂直发射极区域2中，所述 高铝含量的层没有氧化。在这种情况下大约0.13的折射率差异是比较 小的，从而所述抽运波可以在所述垂直发射极层3的区域中传播并且 在那里被吸收到所述量子势阱结构中。
与电绝缘的AlxOy-区域相反，在未氧化的区域中借助于蚀刻坑与 所述抽运源4建立导电接触。可以借助于透明的接触层16或者比如包 含AuZn或者由AuZn制成的接触层来进行接触。
作为替代方案，也可以省去所述高铝含量的层。在这种情况下， 将所述透明的接触层16尽可能大面积地设置到所述高掺杂的接触层18 上。所述接触层16包含透明的导电的氧化物(TCO)比如ZnO或ITO 或者优选由其制成。优选所述接触层16具有比所述抽运源4的半导体 材料低的处于大约1.7和2.2之间的折射率。比如ZnO具有大约1.85 的折射率并且ITO具有大约2.0的折射率。
一种这样低的折射率以及由此引起的与邻接的半导体层的高的折 射率差异有利地实现了在所述抽运源4中抽运辐射的特别好的波导。 为改进在所述抽运源4和透明的接触层16之间的电接触，可以在所述 高掺杂的接触层18和透明的接触层16之间布置薄的金属层，该金属 层优选为几个单层厚，优选大约一个单层厚。该金属层包含下列金属 中的一种金属或者优选由其制成铬、铂、金、钛、银。
作为所述光电的半导体元件的结合图1所说明的实施方式的替代 方案，也可以放弃所述透明的接触层16以及高掺杂的接触层18。在这 种情况下，在选择性的双步骤外延中将掺杂的具有较小折射率的波导 层设置到所述抽运源4上。该层而后比如由具有大约45%的铝份额的 铝-镓-砷化物制成并且具有1*1017到20*1017 11-3的掺杂原子浓度。所 述波导层的层厚度优选大约为600纳米。然后在这个具有较小的折射 率的层上设置高掺杂的覆盖层，所述覆盖层比如由具有1*102。《11-3的掺 杂材料浓度的砷化镓制成。在所述覆盖层上可以设置形成欧姆接触的 金属层。
朝所述半导体本体l的辐射穿透表面26的方向，在所述高掺杂的接触层18的后面跟随着所述抽运源4。所述抽运源4包括防护层19以 及抽运层5。所述抽运源4优选形成边缘发射的激光器。为此，所述半 导体本体l的侧面至少在所述抽运源4的区域中设有对抽运辐射来说 构造为高反射结构的-比如电介质的-涂层。
所述抽运层5优选包括pn-结，该pn-结设置用于借助于电泵产生 辐射。所述抽运源4的防护层19比如由掺杂的具有大约20%的铝浓度 的铝-镓-砷化物制成并且具有大约两微米的厚度。
朝所述半导体本体1的辐射穿透表面26的方向在所述抽运源4的 后面跟随着蚀刻停止层20。所述蚀刻停止层20实现了以指定方式对开 口 25进行蚀刻，通过该开口 25，在所述垂直发射极层3中产生的电磁 辐射31可以尤其没有损耗地离开所述半导体本体1。此外，所述蚀刻 停止层20优选也形成波导层，该波导层对所述抽运源4的抽运辐射来 说具有小的折射率。此外，所述蚀刻停止层20优选具有大的能带间隙。 通过这种方式，通过所述蚀刻停止层20改进了抽运源4中的载流子封 入。比如所述蚀刻停止层20由大约460纳米厚的镓-铟-磷化物-层构成。
在所述光电的半导体元件的结合图1所说明的实施例中，在所述 蚀刻停止层20的后面跟随着波导层21。优选所述波导层21是n-掺杂 的。该波导层21比如具有1017 11-3的掺杂材料浓度。该波导层21比如 由大约1000纳米厚的具有45%的铝份额的铝-镓-砷化物-层构成。
在所述波导层21的后面布置了生长基质8。优选所述生长基质8 被减薄，并且具有处于100和200微米之间的、优选大约150微米的厚 度。所述生长基质比如由n-掺杂的具有大约2*1018cnr3的掺杂材料浓 度的砷化镓构成。
在所述生长基质8上设置了接触金属喷涂层22，该接触金属喷涂 层22比如可以包含金或者由金制成。所述接触金属喷涂层22具有大 约200纳米的层厚度。
所述半导体本体1以其背向所述辐射穿透表面26的一面设置在散 热器(W3rmespreizer) 11上。比如可以借助于比如包含锡的焊接层 IO将所述半导体本体1设置到所述散热器11上。所述焊接层10的厚 度优选大约为两微米。所述散热器ll比如是包含导热性能良好的材料 如铜或陶瓷材料的支座。
在透明的接触层16、台型结构6和散热器ll之间的区域优选被填上材料9。所述材料9是导热及导电性能特别好的材料。优选所述材料 9是金属。
所述材料9在所述台型结构的环境中设置到所述半导体本体上， 也就是说设置到高掺杂的接触层18及所述台型结构的限定该台型结构 的侧面上。
优选所述材料9是银-或金-电镀层。在此，银和/或金由于其良好 的导热及导电性能适合使用。优选借助于低温电镀过程将所述材料9 设置到所述半导体本体1上。
在电镀沉积中较低的大约处于20和100摄氏度之间的过程温度特 别有利，因为所述用作半导体本体1的基础材料的半导体材料以及材 料9具有不同的热膨胀系数。这比如在基于砷化物-化合物半导体比如 GaAs (砷化镓)的半导体层序列中就是这样的情况，所述半导体层序 列具有大约6*10-6k"的热膨胀系数，在此将金层以电镀方式设置到所 述半导体层序列上，所述金层则具有大约14*10-6^的热膨胀系数。
在所述光电的半导体元件的结合图1所说明的实施例中，所述散 热器11以其背向所述半导体本体1的一面安装到支座12上。所述散 热器11在此借助于焊接层13与所述支座12进行机械及电连接。所述 焊接层13比如由锡制成，并且具有大约两微米的厚度。所述支座12 比如可以是连接支座比如金属芯印制电路板，借助于所述连接支座能 够电接触所述抽运源4。
在所述半导体本体1的辐射穿透表面26的后面布置了光学元件 30。所述光学元件30比如是选频的光学元件，该元件实现了所述半导 体元件的窄带的单模运行模式。所述选频的元件30比如是校准器和/ 或双折射的滤波器。
此外，所述半导体元件包括折叠镜33，该折叠镜33与谐振腔反射 镜34—起形成外部的空穴，在该空穴中布置了在光学上非线性的晶体 32。频率变换的晶体32优选适合于从该晶体中穿过的电磁辐射的双倍 增频。所述折叠镜33对在所述垂直发射极层3中产生的基础波长的电 磁辐射31来说构造为高反射的。至少所述被变换频率的辐射的大部分 被所述折叠镜33发送。
除此以外，可以在所述激光谐振腔中布置其它的光学元件，比如 波型耦合的光学元件、相位补偿的光学元件、光学成像的元件如透镜尤其是菲涅耳透镜和/或可调制的部件。这些光学元件也可以部分地直 接设置在所述半导体本体(1)上或者与所述半导体本体(1)集成为 整体。
图2示出了这里所说明的光电的半导体元件的第二实施例的示意 剖面图。与结合图1所说明的实施例所不同的是，在图2的实施例中 省去了折叠镜。所述频率变换的晶体32在其朝向辐射穿透表面26的 辐射穿透表面上具有涂层41，该涂层对变换频率的辐射来说是高反射 性的。在所述涂层41上设置了另外的涂层40，所述涂层40对所述基 础波长的辐射31来说构造为消除反射的。
在所述在光学上非线性的晶体32的背向所述半导体本体l的辐射 穿透表面26的辐射穿透表面上施加了涂层42，该涂层42对基础波长 的辐射来说构造为消除反射的。所述谐振腔反射镜34对基础波长的辐 射来说构造成反射性的，该谐振腔反射镜对变换频率的辐射来说是发 送性的。
结合图3对这里所说明的光电的半导体元件的第三实施例进行说 明。与结合图2所说明的实施例所不同的是，所述在光学上非线性的 晶体32在这里直接安装在所述半导体本体1上。通过这种方式实现特 别紧凑的激光模块，在该激光模块中可以使用小于等于IO毫米的谐振 腔长度。这样短的谐振腔长度允许特别高的大于lOMHz的调制频率， 而不需要处于谐振腔外部的调制装置。
图4示出了这里所说明的光电的半导体元件的第四实施例的示意 剖面图。为了能够相对于结合图3所说明的实施例实现进一步的微型 化，外部的谐振腔反射镜34在该实施例中被频率变换的晶体32的拱 起的辐射穿透表面所取代。所述在光学上非线性的晶体32的背向所述 半导体本体l的辐射穿透表面为此设有涂层43，该涂层43对变换频率 的辐射来说是消除反射的，并且对基础波长的辐射来说是高反射性的。
图5示出了这里所说明的光电的半导体元件的笫五实施例的示意 剖面图。与结合图1到4所说明的实施例不同的是，在该实施例中所 述台型结构6构造为截锥状的。也就是说，限定台型结构的侧面27是 倾斜的并且与比如所述垂直发射极层3的表面法线 (Oberfmchennormale )围起一个大于O度的角度。所述侧面27在此 对在所述抽运源4中产生的抽运辐射来说构造为反射性的。为此，给所述台型结构6的侧面27涂上钝化层23，该钝化层23比如可以包含 氮化硅或者由氮化硅制成。在所述钝化层23上设置了对抽运辐射来说 反射性的层24。所述反射性的层24对所述抽运辐射来说优选具有大于 等于80%的反射性。比如所述反射性的层24包含AuZn或者由AuZn 制成。被如此涂覆的台型结构6完全被材料9所包围。这允许将所述 半导体本体l与散热器11特别好地热耦合。
在所述半导体本体l的辐射穿透表面26上设置附加地用作散热器 的光学元件30。该光学元件30将所述辐射穿透表面的热阻减少了大约 每瓦特八开尔文。此外，该光学元件30比如用作用于在所述垂直发射 极层3中产生的电磁辐射的校准器，并且由此实现了在所述激光谐振 腔中环绕的辐射的光谱收缩。总之，所述光学元件30由此实现了尽可 能不依赖于温度地固定激光波长。优选所述光学元件30借助于毛细连 结(Capillary Bonding)或其它的连接技术固定在所述辐射穿透表面 26上。
所述光学元件30优选由碳化硅或金刚石制成。
除此以外，将所述光学元件布置在辐射穿透表面26上允许获得特 别小的谐振腔长度L。尤其能够实现小于IO毫米的谐振腔长度。
图6示出了这里所说明的光电的半导体元件的第六实施例的示意 剖面图。与所述元件的结合图5所说明的实施例不同的是，所述光学 元件在这里具有弯曲的辐射穿透表面，该辐射穿透表面设有对基础波 长的电磁辐射来说反射性的涂层42。通过这种方式，比如实现了尽可 能紧凑的可以适合于产生红外辐射的激光器。
结合图7对这里所说明的光电的半导体元件的第七实施例进行说 明。在该实施例中，在激光谐振腔中在所述光学元件30的后面布置了 在光学上非线性的晶体32。所述光学元件30在此由于凸出地从所述半 导体本体l的辐射穿透表面26上向外弯曲的辐射穿透表面而用作微型 透镜，该微型透镜用于将基础波长的电磁辐射聚焦到所述在光学上非 线性的晶体32中。由此，尤其可以在频率转换时达到特别高的功率密 度。这实现了在高调制频率时有效的双倍增频。
结图8对这里所说明的光电的半导体元件的第八实施例进行说明。 与比如结合图5所说明的实施例不同的是，在该实施例中，所述垂直 发射极层2布置在所述抽运源4和辐射穿透表面26之间。也就是说，所述垂直发射极层2沿在所述垂直发射极层3中产生的电磁辐射31的 辐射方向跟随在所述抽运源4的后面。优选所述布拉格-反射镜结构7 在该实施例中被掺杂，用于能够接触所述抽运源4。在结合图l到7所 说明的实施例中，也可以将所述垂直发射极区域2布置在所述抽运源4 和辐射穿透表面26之间。
总之，这里所说明的光电的半导体元件由于较短的谐振腔长度L 特别适合于激光投影仪，在所述激光投影仪中借助于所述飞点技术进 行成像。
图9A到9F示出了这里所说明的光电的半导体元件的半导体本体 1的不同实施例的示意俯视图。
所述抽运源具有构造为高反射性的反射镜的激光面40。比如所述 反射镜可以通过刻刮、计算以及涂上高反射性的涂层来产生。此外， 所述激光面40可以借助于蚀刻来产生。然后在所述激光面上的反射可 以借助于全反射和/或根据反射性的涂层来进行。
图9A示出了一种具有两个彼此对置的线性抽运源4的实施方式， 所述抽运源4在侧面与这里构造为六边形的中央的垂直发射极区域2 相邻。
图9B示出了一种实施例，在该实施例中在正方形的垂直发射极区 域2上实现尽可能径向对称的辐射分布。在此在所述垂直发射极区域2 的外部区域中，所述垂直发射极层3比如通过离子束轰击受损，使得 其在该区域中与在内部的尽可能构造为圆形的未受损的区域中相比以 更小的效率吸收所述抽运源4的抽运光。
图9C、 9D及9E示出了具有不同数目的抽运源4的实施方式。
在结合图9D所说明的实施方式中，所述激光面40构造为在俯视 图中为箭头形状的后向反射器(Retroreflektor )。
图9F示出了一种具有线性的抽运源4的实施方式，所述抽运源4 不同于抽运源4的比如结合图9C到9E所说明的星形布置特别节省位 置空间地进行布置。
在结合图IOA到IOD所说明的实施例中，所述抽运源4构造为环 形激光器。
在图IOA、 10B和10C中示出了一些装置，在这些装置中所述垂 直发射极区域2分别设计成正方形的。所述抽运源4在此构造为环形激光器。
图IOB示意示出了一种实施例，在该实施例中存在环形激光器4， 该环形激光器4巻曲成一个"8字"，在该"8字"的交点中又布置了 所述垂直发射极区域2。
在结合图IOC所说明的实施例中，设置两个构造为环形激光器的 抽运辐射源4，这两个抽运辐射源4彼此如此搭接，使得其在所述垂直 发射极区域2中相互交叉。
所说明的基于波导的环形激光器结构具有这样的优点，即可以省 去谐振腔-端面反射镜并且消除在这些谐振腔-端面反射镜上的可能的 损失。
图IOD示出了一种装置，在该装置中设置了多个处于一行中的六 边形的垂直发射极区域2，所述垂直发射极区域2由不同的线性的或者 弯曲的抽运源4来抽运。
本发明不局限于借助于所述实施例所作的说明。更确切地说，本 发明包括每种新特征以及每种特征组合，这尤其包含在权利要求中所 述特征的每种组合，即使这种特征或者说这种组合本身没有明确地在
权利要求或者实施例中得到说明。
权利要求
1. 光电的半导体元件，包括半导体本体(1)，该半导体本体具有-表面发射性的包括垂直发射极层(3)的垂直发射极区域(2)，-至少一个设置用于光学抽运所述垂直发射极层(3)的抽运源(4)，和-辐射穿透表面(26)，在所述垂直发射极层中产生的电磁辐射(31)通过该辐射穿透表面(26)离开所述半导体本体(1)，其中-所述抽运源(4)和所述垂直发射极层(3)沿垂直方向相互隔开。
2. 按前述权利要求所述的光电的半导体元件，其中，所述抽运源(4)布置在所述垂直发射极层(3)和所述辐 射穿透表面(26)之间。
3. 按权利要求l所述的光电的半导体元件，其中，所述垂直发射极层(3)布置在所述抽运源(4)和所述辐 射穿透表面(26)之间。
4. 按前一项权利要求所述的光电的半导体元件，其中，所述垂直发射极层(3)布置在所述半导体本体(1)的台 型结构(6)中。
5. 按前一项权利要求所述的光电的半导体元件，其中，在所述台型结构(6)的周围环境中至少局部地将包含有金 属的材料(9)施加到半导体本体(1)上。
6. 按前述权利要求中至少一项所述的光电的半导体元件，其中，所述材料(9)以电镀方式在所述台型结构(6)的周围环 境中沉积。
7. 按前述权利要求中至少一项所述的光电的半导体元件，其中，限定所述台型结构(6)的侧面(27)构造为对抽运辐射来 说反射性的。
8. 按前一项权利要求所述的光电的半导体元件，其中，给所述台型结构(6 )的侧面(27 )至少局部地涂上材料(23、 24)，所述材料(23、 24)对抽运辐射来说具有至少80%的反射性。
9. 按前述权利要求中至少一项所述的光电的半导体元件，其中，所述台型结构(6)的侧面(27)至少局部地按照下列光学的基础元件中的一种的类型来构造截锥镜组、棱锥台镜组、CPC、 CHC、 CEC。
10. 按前述权利要求中至少一项所述的光电的半导体元件， 其中，所述台型结构(6)的侧面(27)至少局部地设置用于将抽运辐射导向所述垂直发射极层(3)。
11. 按前述权利要求中至少一项所述的光电的半导体元件， 其中，所述垂直发射极区域(3)包括不含掺杂材料的布拉格-反射镜结构(7)。
12. 按前一项权利要求所述的光电的半导体元件，其中，所述布拉格-反射镜结构(7)布置在所述垂直发射极层(3) 的背向所述抽运源(4)的一面上。
13. 按前述权利要求中至少一项所述的光电的半导体元件， 其中，所述光电的半导体元件包括至少一个反射镜(34)，该反射镜(34)与所述布拉格-反射镜结构(7) —起形成用于在所述垂直发 射极层(3)中产生的电磁辐射(31)的激光谐振腔。
14. 按前一项权利要求所迷的光电的半导体元件，其中，在所述激光谐振腔中布置了至少一个光学元件(30、 32)， 该光学元件(30、 32)与所述光电的半导体元件的半导体本体处于热 接触之中。
15. 按前一项权利要求所述的光电的半导体元件，其中，所述光学元件(30、 32)具有下列光学性能中的至少一项 光学性能选频、频率倍增、反射、光学折射。
16. 按前一项权利要求所述的光电的半导体元件，其中，所述光学元件(30、 32)至少局部地由下列光学的基础元 件中的一种基础元件构成校准器、双折射的滤波器、在光学上非线 性的晶体、反射镜、透镜。
17. 按前迷权利要求中至少一项所述的光电的半导体元件， 其中，所述激光谐振腔具有最高IO毫米的长度(L)。
18. 按前一项权利要求所述的光电的半导体元件， 其中，所述激光谐振腔具有最高5毫米的长度(L)。
19. 按前一项权利要求所述的光电的半导体元件， 其中，所述激光谐振腔具有最高0，25毫米的长度(L)。
20. 按前述权利要求中至少一项所述的光电的半导体元件， 其中，所述抽运源(4)具有蚀刻的激光面(40)。
21. 按前述权利要求中至少一项所述的光电的半导体元件， 其中，抽运辐射在所述抽运源的激光面(40)上被全反射。
22. 按前述权利要求中至少一项所述的光电的半导体元件， 其中，借助于透明的接触层(16)来电接触所述抽运源(4)。
23. 按前一项权利要求所述的光电的半导体元件，其中，所述透明的接触层(16)包含下列材料中的至少一种ZnO、 ITO。
全文摘要
说明了一种光电的半导体元件，包括半导体本体(1)，该半导体本体具有表面发射性的包括垂直发射极层(3)的垂直发射极区域(2)、至少一个设置用于光学抽运所述垂直发射极层(3)的抽运源(4)和辐射穿透表面(26)，在所述垂直发射极层中产生的电磁辐射(31)通过该辐射穿透表面(26)离开所述半导体本体(1)，其中，所述抽运源(4)和垂直发射极层(3)沿垂直方向相互隔开。
文档编号H01S3/04GK101421890SQ200780013240
公开日2009年4月29日 申请日期2007年3月15日 优先权日2006年4月13日
发明者P·布里克, S·卢特根, T·阿尔布雷克特 申请人:奥斯兰姆奥普托半导体有限责任公司