半导体激光器的制作方法

提出一种半导体激光器。

技术实现要素：

要实现的目的在于，提出一种半导体激光器，其可有效地接触并且其适合于产生短的激光脉冲。

所述目的尤其通过具有独立权利要求的特征的半导体激光器实现。优选的改进方案是从属权利要求的主题。

根据至少一个优选的实施方式，半导体激光器是表面发射的半导体激光器。也就是说，半导体激光器的发射方向和/或谐振器纵轴线平行于或近似平行于半导体层序列的生长方向取向。替选地，半导体激光器可以是边发射的激光器。

根据至少一个实施方式，半导体激光器包括半导体层序列。半导体层序列包含至少一个用于产生激光辐射的有源区。有源区借助于电致发光工作。

半导体层序列优选地基于iii-v族化合物半导体材料。半导体材料例如是氮化物化合物半导体材料，如alnin1-n-mgamn，或是磷化物化合物半导体材料，如alnin1-n-mgamp，或也是砷化物化合物半导体材料，如alnin1-n-mgamas或如alngamin1-n-maskp1-k，其中分别有0≤n≤1，0≤m≤1并且n+m≤1以及0≤k＜1。优选地，在此针对半导体层序列的至少一个层或针对所有层适用的是0＜n≤0.8，0.4≤m＜1并且n+m≤0.95以及0＜k≤0.5。在此，半导体层序列可以具有掺杂物以及附加的组成部分。为了简单性，然而仅提出半导体层序列的晶格的主要组成部分，即al、as、ga、in、n或p，即使这些主要组成部分可以部分地由少量其他物质替代和/或补充时也如此。

优选地，半导体层序列基于材料体系alingaas。

根据至少一个实施方式，半导体层序列在两个彼此相对置的主侧上具有电连接区域。所述连接区域中的一个例如是p型接触部而第二连接区域是n型接触部。经由电连接区域，半导体层序列可通电。

根据至少一个实施方式，半导体激光器包括接触载体。接触载体具有用于电接触半导体层序列的电接触面。例如，接触载体是半导体激光器的机械地承载和支撑其的组件。也就是说，在没有接触载体的情况下，半导体激光器不是机械稳定的。

根据至少一个实施方式，半导体激光器具有至少一个电连接线路。一个或多个连接线路从半导体层序列的背离接触载体的一侧朝向接触载体伸展。连接线路例如是电印制导线或电扁平带接触部。连接线路可以具有电过孔。尤其，第二电连接区域经由电连接线路与接触载体的电接触面电连接，尤其直接电连接。

根据至少一个实施方式，连接线路位于半导体层序列上或位于半导体层序列中。也就是说，连接线路优选机械地耦联于半导体层序列并且尤其刚性地与半导体层序列连接。换言之，连接线路不是键合线。

在至少一个实施方式中，半导体激光器优选是表面发射的半导体激光器并且包括具有用于产生激光辐射的有源区的半导体层序列。在半导体层序列的相对置的主侧上存在两个电连接区域。接触载体包括用于电接触半导体层序列的电接触面。电连接线路从半导体层序列的背离接触载体的主侧朝向接触载体，尤其直至电接触面之一伸展。连接线路位于半导体层序列上或位于半导体层序列中。

换言之，在此所描述的半导体激光器可以是表面发射的激光器，也作为垂直腔面发射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglaser)或简称vcsel。半导体激光器设计为倒装芯片并且优选具有单发射器的阵列。特别地，薄膜技术的应用，即其中将生长衬底从半导体层序列移除的技术，允许将半导体晶片从两个主侧起结构化。因此，可以在主侧上尤其电镀地施加多个优选厚的基座，例如镍基座，以便以这种方式实现在唯一的主侧上的p型接触部和/或n型接触部。替选地，载体可以与过孔一起应用，尤其具有所谓的硅通孔(through-siliconvia)的基于硅的载体。

除了应用薄膜技术的优点、尤其是改进的热耦联之外，这种半导体激光器以倒装芯片结构方式提供其他优点。因此，可以弃用键合线，由此可实现较小的制造成本。通过弃用键合线可以实现在连接线路处的较低的电感进而实现较短的开关时间。此外，在半导体激光器的封装的设计方案中存在更多的自由度。此外，可以实现较小的构件高度，尤其因为取消键合线。此外，在驱动器、如特定用途集成电路，简称asic上的直接安装是可能的。此外，光学装置可以直接在半导体层序列上或靠近半导体层序列安置，无需干扰的键合线。

特别地，在运行时间相关的应用、所谓的tof应用或者说timeofflight(渡越时间)应用中，在亚纳秒范围内也需要越来越短的光脉冲。在具有键合线接触部的传统的分立的上部构造中，这种开关时间运行相关地由于相对高的电感，例如与在印刷电路板上的印制导线或与键合线关联地，不可实现或仅可困难地实现。

通过将具有有源区的半导体层序列直接施加到功能载体上，可减少电输入线路的电感。尤其，功能载体能够以集成的方式具有可快速开关的电流源或可快速开关的开关，如场效应晶体管或还有其他电路组件，如用于储存能量的电容器或整个驱动器电路。由此通过应用薄膜技术能够实现，将可表面安装的激光器或其部件重新键合到功能载体上。作为用于功能载体的材料尤其适合的是硅。在功能载体中可以集成多种功能，例如开关、电流源、集成电路、储存单元和/或传感器，如温度传感器。

特别地，由于开关单元的可能的整个集成，可实现小的电感，以至于在供给电压低的情况下能实现短的激光脉冲。其可以伴随有较小的功率消耗和较小的热负荷。因此，可尤其在移动设备中实现空间节约和成本节约，因为驱动级的部件已经可以集成并且可以匹配于半导体层序列。也能够实现在客户处的更快的设计循环，因为不需要驱动级的复杂的重新构造。

此外，在此所描述的半导体激光器提供如下可能性：此外通过驱动器结构的并联使电感最小化和实现激光脉冲的更快的上升时间。这尤其通过应用多个并联的开关元件和/或多个并联的输入线路是可行的，因为在每个电流路径中那么仅总电流的一小部分流动。更快的开关时间尤其从电流强度和电感之间的非线性的关联关系中得出。由此，可在更高效率的情况下实现更强的电流脉冲和更短的激光脉冲。此外，整个系统具有冗余和/或最大电流的控制是简化的。

根据至少一个实施方式，半导体激光器是可表面安装的。也就是说，半导体激光器是smt构件。

根据至少一个实施方式，接触载体的接触面位于共同的平面中。所述平面尤其平行于有源区和/或半导体层序列定向。接触面可以完全地或部分地由半导体层序列覆盖。

根据至少一个实施方式，存在两个谐振器反射镜。谐振器反射镜可以是布拉格反射镜或是组合的反射镜，所述组合的反射镜由不同折射系数的层和由封闭金属层组成。可能的是，至少一个谐振器反射镜外延地生长并且直接位于半导体层序列上。至少一个谐振器反射镜可以用于将电流注入到半导体层序列中。

根据至少一个实施方式，谐振器反射镜和/或有源区平行于接触载体和/或具有接触面的平面取向。尤其地，例如垂直于谐振器反射镜的谐振器纵轴线垂直于有源区取向。由此可行的是，在运行中所产生的激光辐射沿垂直于接触载体的方向发射。

根据至少一个实施方式，连接线路距半导体层序列的平均间距最高为5μm或3μm或1μm。替选地或附加地，所述平均间距至少为0.1μm或0.2μm或0.3μm。尤其，在连接线路和半导体层序列之间仅存在用于将半导体层序列电绝缘和钝化的钝化层。

根据至少一个实施方式，半导体激光器不具有半导体层序列的生长衬底。也就是说，在制造半导体激光器的过程中，将生长衬底从半导体层序列移除。

根据至少一个实施方式，接触载体包括接触面和浇注体。可能的是，接触载体由接触面和浇注体构成。尤其，浇注体经由注塑或压注制造，也称作为模制。由此，浇注体的材料优选是热塑性塑料。接触面可以由一个或多个金属层形成，或也包括透明导电氧化物，简称tco。

根据至少一个实施方式，半导体层序列在俯视图中观察在功能上分为多个单个激光发射器。由此，存在激光发射器的阵列，尤其在俯视图中观察存在激光发射器的规则的、二维的布置。单个激光发射器可以是构造相同的并且例如常规地发射相同光谱组成的辐射。替选地，可能的是，存在不同的激光发射器，例如用于产生不同波长的激光辐射。

根据至少一个实施方式，激光发射器并联电连接。也就是说，电地同时操控所有激光发射器。替选地，可能的是，激光发射器可单独地或成组分开地电操控。

根据至少一个实施方式，半导体激光器包括一个或多个电容器。至少一个电容器与有源区电连接，尤其并联连接。经由至少一个电容器可实现要产生的激光辐射的快速的脉冲上升时间。也就是说，一个或多个电容器用于为有源区供给电流。

根据至少一个实施方式，半导体激光器包括一个或多个另外的电容器。至少一个另外的电容器与相关的有源区电连接，尤其电地串联连接，然而也可以并联电连接。

根据至少一个实施方式，与至少一个电容器或多个电容器或电容器的组或所有电容器共同地关联有电子开关元件。这尤其适用于至少一个另外的电容器。经由电子开关元件可操控相关的电容，尤其可通电和/或可排空。电子开关元件可以是晶体管，如场效应晶体管，简称fet。

根据至少一个实施方式，存在多个电容器和多个开关元件。可能的是，在这些电容器和开关元件之间存在1:1的关联性。在此，这些开关元件电地彼此串联连接。

根据至少一个实施方式，存在至少两个或至少三个电容器，其具有相同的电容。这尤其以最高50％或25％或10％的公差适用。优选地，这些电容器并联电连接。

根据至少一个实施方式，存在至少两个或刚好两个电容器或电容器的组，所述电容器的电容是非常不同的。例如，电容相差至少20倍或50或100倍。替选地或附加地，电容最多彼此相差1000倍或500倍或200倍。

根据至少一个实施方式，具有较小电容的电容器设立用于，将有源区直接在接通过程之后用电流供给。具有较大电容的至少一个电容器可以主要设立用于随后的电流供给。由此能实现激光辐射的特别短的脉冲上升时间。

根据至少一个实施方式，具有较小电容的电容器电地直接与有源区连接。电地直接可以意味着，在电容器和有源区和/或半导体层序列之间的电阻最高为10ω或5ω或2ω。还可能的是，在具有较大电容的电容器和有源区之间安置电阻。所述电阻例如为至少100ω或1kω或10kω和/或最高100kω。

根据至少一个实施方式，半导体激光器包括一个或多个功能载体。在至少一个功能载体中集成有至少一个电子组件。电子组件例如是电容器、线圈、开关元件、如场效应晶体管、电流源、如可控制的或可开关的电流源或恒定电流源或是存储器或操控单元、如asic。

根据至少一个实施方式，接触载体电地和/或机械地固定在功能载体上。优选地，接触载体焊接或导电地粘贴到功能载体上，尤其不使用键合线。

根据至少一个实施方式，作为电子组件，具有较小电容的电容器单片地集成到功能载体中。替选地或附加地，具有较大电容的至少一个另外的电容器安置、例如焊接在功能载体上。

根据至少一个实施方式，具有较小电容的电容器具有最高1nf或0.1nf的电容。较大电容器的电容优选为至少1nf或10nf或100nf。

根据至少一个实施方式，有源区在功能载体中部分地或完全地覆盖至少一个电子组件。由此可实现特别节省空间的布置。

根据至少一个实施方式，功能载体具有电接触部位。电接触部位设立用于从外部电接触半导体激光器。电接触部位可以位于功能载体的共同的侧上，尤其主侧上，特别是位于背离半导体层序列的一侧上。由此，功能载体可以是可表面安装的。

根据至少一个实施方式，半导体激光器无需键合线就可接触和/或不具有键合线。由此可以实现在电的输入线路中的小的电感。

根据至少一个实施方式，半导体激光器设立用于，产生具有小的平均脉冲时长的激光脉冲。例如脉冲时长为至少0.2ns或0.5ns和/或最高5ns或2ns。

附图说明

下面，参照附图根据实施例详细阐述这里所描述的半导体激光器。相同的附图标记在此在各个附图中说明相同的元件。在此然而没有示出符合比例的关系，更确切地说为了更好的理解可以夸大地示出个别元件。

附图示出：

图1a至1e示出用于制造这里所描述的半导体激光器的方法步骤的示意剖面图；

图2a和3a示出这里所描述的半导体激光器的实施例的示意剖面图；

图2b和3b示出这里所描述的半导体激光器的实施例的示意俯视图；

图4和6至8示出这里所描述的半导体激光器的实施例的示意剖面图；以及

图5、9和10示出这里所描述的半导体激光器的实施例的示意电路图。

具体实施方式

在图1中说明半导体激光器1的制造法。半导体激光器1是表面发射的半导体激光器，也称作为vcsel。半导体激光器1构成为薄膜技术中的倒装芯片。

根据图1a，基于alingaas的半导体层序列2在生长衬底25上生长。生长衬底25尤其是gaas衬底。沿背离生长衬底25的方向，彼此跟随有刻蚀停止层26或牺牲层26，p型接触层27、p型电流扩展层28、用于产生激光辐射的有源区20、n型电流扩展层29以及n型接触层24。也可能存在其他未示出的层。

在背离生长衬底25的一侧上，在半导体层序列2上跟随有第一谐振器反射镜41。第一谐振器反射镜41优选是布拉格反射镜。第一谐振器反射镜41于是包括具有高折射率和低折射率的层的交替的序列。

如在图1b中所说明那样，第一谐振器反射镜41是半导体层序列2的一部分并且外延生长。替选地，如结合图1所说明，第一谐振器反射镜41也可以独立于半导体层序列2地产生。

此外在图1b中说明的是，在半导体层序列2的第一电连接区域21上产生第一电接触面31。第一电接触面31可以与第一谐振器反射镜41一起形成用于所产生的激光辐射l的组合的反射镜。第一电接触面31例如借助于蒸镀产生。

在图1c中说明的是，第二电接触层32同样在第一谐振器反射镜41上形成。两个接触面31、32覆盖半导体层序列2的相对大的部分。优选地，这两个接触面31、32由一个或多个金属层形成。接触面31、32可以是构造相同的。

根据图1d，接触面31、32例如电镀地增强。由此接触面31、32可以形成例如由镍构成的平台。接触面31、32由浇注体33包围。浇注体33可以沿背离生长衬底25的方向与接触面31、32齐平。经由这样产生的接触面31、32，制成的半导体激光器1是可电接触的。通过浇注体33和增强的接触面31、32形成接触载体3，所述接触载体可以是机械地承载制成的半导体激光器1的组件。

在结合图1e示出的方法步骤中，将具有第一谐振器反射镜41的半导体层序列2局部地从接触载体3移除。半导体层序列2的所产生的侧面设有钝化层8。钝化层8例如由氮化物、如氮化硅构成并且例如具有大约100nm的厚度。在背离载体3的第二电连接区域22上施加第二谐振器反射镜42，例如经由溅射和/或蒸镀。在运行中产生的激光辐射l穿过第二谐振器反射镜42发射。

在半导体层序列2的侧面之上和优选直接在钝化层8上成型电连接线路23。电连接线路23环形地包围第二谐振器反射镜42并且与半导体层序列2的第二电连接区域22直接接触。第二谐振器反射镜42，例如布拉格反射镜可以是无电流的。从第二连接区域22起始，连接线路23沿着钝化层8延伸直至第二电接触面32。由此，经由优选金属的连接线路23，半导体层序列2借助于接触面31、32能够以可表面安装的方式电连接。

优选地，在产生钝化层8之前借助于将半导体层序列2的层之一氧化来进行横向电流限制，未示出。

在图2的实施例中，电连接线路23环形地由第二谐振器反射镜42引向接触载体3。由此，第一电接触面31优选环形地圆形地由第二电接触面32包围。同样地，第二谐振器反射镜42环形地由连接线路23包围。此外，图2的实施例对应于图1。

结合图3说明，连接线路23安置在半导体层序列2的侧面上和/或具有过孔23a，所述过孔穿过半导体层序列2伸展并且在俯视图中观察环形地由半导体层序列2的和/或谐振器反射镜41、42的材料包围。从围绕第二谐振器反射镜42的环起始，电连接线路23可以条状地朝向过孔23a延伸。

在图4的实施例中，半导体激光器1附加地具有功能载体5。具有接触载体3的半导体层序列2安置在功能载体5上。在此，接触载体3和功能载体5也可以由唯一的、共同的部件形成。

可选地，在功能载体5上对于半导体层序列2附加地安置有至少一个电子组件，如电容器c、电子开关元件6或可控制的电流源7。此外，在功能载体5上或在功能载体5中可以存在存储模块或集成电路，如asic，未示出。

连接线路23可以从半导体层序列20的背离功能载体5的一侧延伸直至电子组件c、6、7。替选地，可以存在附加的未示出的电线路。这种电线路可以在功能载体5上和/或在功能载体5之内伸展。

在图5中示意地图解说明在半导体激光器1之内的电布线。有源区20用符号表示为二极管并且与供给电压v和与也称作为ground(地)的接地触点、简称gnd电连接。作为开关元件存在场效应晶体管6，所述场效应晶体管与信号线路s连接。此外，存在两个电容器c1、c2。具有较小电容的电容器c1可以与有源区20并联地电连接并且直接与有源区20或半导体层序列连接。与第一电容器c1并联地存在具有较大电容的第二电容器c2，所述第二电容器经由电阻器r与有源区20连接。相应的构造可以在所有其他实施例中存在。

优选地，开关元件6、具有有源区20的半导体层序列2以及具有较小电容的电容器c1直接安置在功能载体5上或安置在功能载体5中。特别地，开关元件6和电容器c1集成在例如基于硅的功能载体5中。可选的电阻器r和具有较大电容的电容器c2可以是附加地施加到功能载体5上的组件，也参照图4。

电容器c1、c2用作为蓄能器。经由具有较小电容的电容器c1可实现激光强度的快速上升，以至于电容器c1提供用于例如接通过程的第一100ps或200ps的接通充电。随后，具有较大电容的电容器c2主要用作为用于脉冲地驱动有源区20的蓄能器。

在图6中说明的是，开关元件6集成在功能载体5中。在背离半导体层序列2的下侧上存在功能载体5的电接触部位51、52，经由所述电接触部位可从外部电接触半导体激光器1。由此，半导体激光器1是电压控制的。

如也在所有其他实施例中那样，半导体层序列2优选分成多个单个的激光发射器11。激光发射器11可以在俯视图中观察作为规则的二维阵列设置。可能的是，激光发射器11全部电串联连接，或者可单独地或成组分开地电操控。

优选地，在俯视图中观察，每个单个的激光发射器11环形地由电极、如电连接线路23包围，参照图2。个别激光活性区域、尤其每激光发射器11刚好一个激光活性区域例如具有至少20μm和/或最高50μm的直径。相邻的激光发射器11的间距例如在至少50μm和/或最高100μm之间。由此，激光发射器11的扫描量例如可以为至少70μm和/或最高200μm。具有多个激光发射器11的半导体层序列2的典型的边长例如为1mm。

在图7中说明的是，在功能载体5中集成有可控制的电流源7，所述电流源经由开关元件6操控。由此，经由可控制的和可开关的电流源7电流控制根据图7的半导体激光器1。

在图8的优选的实施方式中，对于开关元件6附加地在功能载体5中集成有电容器c。尤其，所述电容器c对应于在图5中说明的具有较小电容的电容器c1。

如也在所有其他实施例中可能的，半导体层序列2覆盖功能载体5的整个背离接触部位51、52的主侧。由此，电子组件c、6、7也由半导体层序列2覆盖。与其不同地可能的是，半导体层序列2侧向地从功能载体5伸出。

在图9的电路构造中，存在电容器c，所述电容器由三个电地并联连接的开关元件6操控。开关元件6分别与信号线路s连接。由此，在开关电容器c时经由每个开关元件6流过相对小的电流，使得电感由于在电流强度和电感之间的非线性关联关系可整体上降低。

图9中的电容器c可以对应于图5中的具有较大电容的电容器c2。由此，图5和9的电路可以彼此组合。可能的是，开关元件6单独地安置在功能载体5上或者在功能载体5中集成，参见例如图6和8。

在图10的实施例中，存在三个电容器c，其电地并联连接。换言之，图9的电容器分为三个电容器c。由此，能附加地减小电感。此外，图9的实施方案相应地适用于图10。

三个电容器c可以通过单个的、单独的构件实现或者也在共同的构件中集成，所述构件优选施加在功能载体5上。替选地，所有三个电容器c可以在功能载体5中集成，参见图8。

只要没有另作说明，在图中示出的组件优选以给出的顺序分别直接彼此跟随。在图中不接触的层彼此间隔开。只要线彼此平行地示出，那么相应的面同样彼此平行地定向。同样，只要没有另作说明，在附图中准确地描绘示出的组件相互间的相对厚度关系，长度关系和位置。

这里所描述的发明不受根据实施例的描述限制。更确切地说，本发明包括任意新特征以及特征的任意组合，这尤其包含权利要求中的特征的任意组合，即使所述特征或所述组合本身并未详尽地在权利要求中或实施例中说明时也如此。

本专利申请要求德国专利申请102017108322.7的优先权，其公开内容通过参引结合于此。

附图标记列表

1半导体激光器

11激光发射器

2半导体层序列

20有源区

21第一电连接区域

22第二电连接区域

23电连接线路

23a过孔

24n型接触层

25生长衬底

26刻蚀停止层或牺牲层

27p型接触层

28p型电流扩展层

29n型电流扩展层

3接触载体

31第一电接触面

32第二电接触面

33浇注体

41第一谐振器反射镜

42第二谐振器反射镜

5功能载体

51，52电接触部位

6电子开关元件

7可控制的电流源

8钝化层

c电容器

gnd地/接地

l激光辐射

r电阻器

s信号线路

v供给电压