半导体激光二极管和用于制造半导体激光二极管的方法
阅读说明：本技术 半导体激光二极管和用于制造半导体激光二极管的方法 (Semiconductor laser diode and method for manufacturing semiconductor laser diode ) 是由 艾尔弗雷德·莱尔 塞巴斯蒂安·特格尔 于 2018-04-18 设计创作，主要内容包括：提出一种半导体激光二极管(100),其具有：通过外延法制造的半导体层序列(2),其具有至少一个有源层(3),其中在所述半导体层序列(2)的至少一个表面区域(20)上设置有含镓的钝化层(10)。此外,提出一种用于制造半导体激光二极管(100)的方法。(It is proposed a kind of semiconductor laser diode (100), it includes the layer sequence (2) manufactured by epitaxy, it has at least one active layer (3), wherein being provided with the passivation layer (10) containing gallium at least one surface region (20) of the layer sequence (2).In addition, proposing a kind of method for manufacturing semiconductor laser diode (100).)
技术领域
提出一种半导体激光二极管和一种用于制造半导体激光二极管的方法。
本专利申请要求德国专利申请10 2017 108 435.5的优先权，其公开内容通过参引结合于此。
背景技术
在从紫外到红外的光谱范围中的激光二极管越来越多地开发新的市场，例如在照明应用、投影应用和材料加工应用的领域中，其中激光二极管能够在提高的发光密度方面尤其也相对于发光二极管(LED)充分发挥其优点。这种激光二极管基本上基于InAlGaN材料体系、InAlGaP材料体系或InAlGaAs材料体系中的外延结构。在芯片技术的制造中，根据标准使用介电钝化材料、例如出自SiO2、Si3N4或ZrO2的介电钝化材料来限制电流以及指数引导(Indexführung)。但在此成问题的是，钝化部的折射率取决于相应使用的介电质只能在极其窄的边界中变化。此外，所述介电材料具有小的热导率并且在其包覆特性和其屏蔽作用方面对于许多应用和功率范围而言不够适合。这些缺点一方面会导致效率损失而另一方面会造成器件稳定性问题。
发明内容
特定的实施方式的至少一个目的是，提出一种半导体激光二极管。特定的实施方式的至少一个另外的目的是，提出一种用于制造半导体激光二极管的方法。
这些目的通过根据独立权利要求所述的物体和方法来实现。该物体和该方法的有利的实施方式和改进方案在从属权利要求中表明并且还从以下的描述和附图中得到。
根据至少一个实施方式，半导体激光二极管具有至少一个有源层，其构建和设置为，在运行中在有源区中产生光。有源层尤其可以是具有多个半导体层的半导体层序列的一部分和具有主延伸平面，该主延伸平面垂直于半导体层序列的层的布置方向。例如，有源层可以具有恰好一个有源区。有源区可以至少部分地通过半导体层序列与电极层的接触面限定，即至少部分地通过如下面限定，电流经由所述面注入到半导体层序列并且由此注入到有源层中。此外，有源区也可以至少部分也通过脊形波导结构限定，即通过在半导体层序列的半导体材料中以长形的突出部的形式形成的脊形部。此外，有源层也可以具有多个有源区，所述有源区可以通过对应数量的所描述的措施限定。即使当在下文中所描述的特征和实施方式大部分涉及在有源层中具有一个有源区和由此可能对应地具有一个脊形波导结构的半导体激光二极管，后续的实施方案相应地也适合于在有源层中具有多个有源区和由此可能对应地具有多个脊形波导结构的半导体激光二极管。
根据另一实施方式，在用于制造半导体激光二极管的方法中制造有源层，该有源层构建和设计为在半导体激光二极管运行中产生光。尤其是，可以借助外延法制造具有有源层的半导体层序列。上文和下文中所描述的实施例和特征同样适合于半导体激光二极管以及用于制造半导体激光二极管的方法。
根据另一实施方式，半导体激光二极管具有光耦合输出面和与光耦合输出面相对置的背侧面。光耦合输出面和背侧面尤其可以是半导体激光二极管的侧面，特别优选是半导体层序列的侧面，其也可以称作所谓的棱面。半导体激光二极管在运行中可以经由光耦合输出面放射在有源区中产生的光。在光耦合输出面和背侧面上可以施加合适的光学涂层，尤其反射性的或部分反射性的层或层序列，其可以形成用于在有源层中产生的光的光学谐振器。有源区可以在背侧面与光耦合输出面之间沿着如下方向延伸，所述方向在此和在下文中称作纵向方向。纵向方向尤其可以平行于有源层的主延伸平面。层上下相叠的布置方向、即垂直于有源层的主延伸平面的方向在此和在下文中称作竖直方向。垂直于纵向方向且垂直于竖直方向的方向在此和在下文中称作横向方向。纵向方向和横向方向因此可以展开如下平面，所述平面平行于有源层的主延伸平面。
半导体层序列尤其可以构成为外延层序列，即构成为外延生长的半导体层序列。在此，半导体层序列例如可以基于InAlGaN构成。属于基于InAlGaN的半导体层序列的尤其是如下半导体层序列，其中外延制造的半导体层序列通常具有由不同的单层构成的层序列，所述层序列包含至少一个单层，所述单层具有出自III-V族化合物半导体材料体系InxAlyGa1-x-y的材料，其中0≤x≤1，0≤y≤l和x+y≤1。尤其，有源层可以基于这样的材料。具有基于InAlGaN的至少一个有源层的半导体层序列例如优选可以发射在紫外到绿色波长范围中的电磁辐射。
替选地或附加地，半导体层序列也可以基于InAlGaP，即半导体层序列可以具有不同的单层，其中至少一个单层、例如有源层具有出自III-V族化合物半导体材料体系InxAlyGa1-x-yP的材料，其中0≤x≤l，0≤y≤l和x+y≤1。具有基于InAlGaP的至少一个有源层的半导体层序列例如优选可以发射具有在绿色到红色波长范围中的一个或多个光谱分量的电磁辐射。
替选地或附加地，半导体层序列也可以具有III-V族化合物半导体材料体系，例如基于InAlGaAs的材料，或II-VI族化合物半导体材料体系。尤其是，具有基于InAlGaAs的材料的有源层可以适合于，发射具有在红色到红外波长范围中的一个或多个光谱分量的电磁辐射。II-VI族化合物半导体材料可以具有出自第二主族的至少一个元素，如例如Be、Mg、Ca、Sr，和出自第六主族的元素，如例如O、S、Se。例如，属于II-VI族化合物半导体材料的有ZnSe、ZnTe、ZnO、ZnMgO、CdS、ZnCdS和MgBeO。
有源层和尤其具有有源层的半导体层序列可以施加在衬底上。例如，衬底可以构成为生长衬底，在所述生长衬底上生长半导体层序列。有源区和尤其具有有源层的半导体层序列可以借助外延法、例如借助金属有机气相外延(MOVPE)或分子束外延(MBE)制造。这尤其可以表示，半导体层序列在生长衬底上生长。此外，半导体层序列可以设有呈电极层的形式的电接触部。此外，也可行的是，在生长工艺之后去除生长衬底。在此情况下，半导体层序列例如也可以在生长之后转移到构成为载体衬底的衬底上。衬底可以包括半导体材料，例如上文所述的化合物半导体材料体系，或其他材料。尤其，衬底可以包括蓝宝石、GaAs、GaP、GaN、InP、SiC、Si、Ge和/或陶瓷材料，如例如SiN或AlN，或由这样的材料构成。
有源层例如可以具有传统的pn结、双异质结构、单量子阱结构(SQW结构)或多量子阱结构(MQW结构)，用于产生光。半导体层序列除了有源层之后可以包括其他功能层和功能区，例如p型掺杂的或n型掺杂的载流子运输层，即电子运输层或空穴运输层，未掺杂的或p型掺杂的或n型掺杂的约束层、包覆层或波导层、阻挡层、平面化层、缓冲层、保护层和/或电极层以及其组合。此外，附加的层，例如缓冲层、阻挡层和/或保护层也可以垂直于半导体层序列的生长方向例如围绕半导体层序列设置，即设置在半导体层序列的侧面上。
根据另一实施方式，半导体层序列具有至少一个脊形波导结构。如果半导体激光二极管具有衬底，在所述衬底上施加有半导体层序列，则脊形波导结构在半导体层序列的与衬底相对置的上侧中构成。即使半导体激光二极管不具有衬底，在此和在下文中具有脊形波导结构的一侧称作上侧。脊形波导结构尤其可以通过半导体层序列的脊形的、沿着纵向方向延伸的、升高的区域形成。换言之，脊形的区域沿着竖直方向超出邻接的表面区域并且沿着纵向方向伸展。在横向方向上对脊形波导结构限界的侧面尤其可以与半导体层序列的邻接的表面区域一起形成阶梯轮廓。术语“脊形的区域”、“脊形部”和“脊形波导结构”在下文中同义地使用。此外，半导体层序列也可以具有多个横向并排地和彼此间隔开地设置的、分别沿着纵向方向延伸的、脊形的区域。
根据另一实施方式，半导体激光二极管在半导体层序列的至少一个表面区域上具有钝化层。尤其是，钝化层可以是电绝缘的并且因此电绝缘地遮盖表面区域。附加地，钝化层可以至少部分地用于抵御有害的环境影响。此外，钝化层也可以用作散热层，可以将由半导体层序列经由表面区域释放的运行热量通过所述散热层导出。此外，钝化层可以是透明的或至少部分是透明的并且具有所期望的折射率。
此外，钝化层可以直接施加在半导体层序列的至少一个表面区域上。换言之，在半导体层序列与钝化层之间没有设置其他层，使得钝化层与半导体层序列的形成表面区域的半导体材料直接接触。尤其是，钝化层可以通过所有如下层形成，所述层设置在半导体层序列的表面区域与在其上施加的电极层之间。
根据另一实施方式，其上施加有钝化层的表面区域包括半导体层序列的上侧的至少一部分。如上文所描述的那样，上侧尤其可以是半导体层序列的与衬底相对置的一侧，其中并不强制性必须存在脊形波导结构。
如果半导体激光二极管具有脊形波导结构，则表面区域尤其可以包括脊形部的至少一个横向的侧面或两个横向的侧面或其至少一部分。通过因半导体材料过渡到钝化层造成的在脊形波导结构的侧面上的折射率突变，可以引起在有源层中产生的光的所谓的指数引导，这如上文所描述的那样决定性地会造成有源区的构成，所述有源区说明在半导体层序列中的如下区域，所产生的光在所述区域中引导和在激光器运行中放大。此外，表面区域除了接触区域之外可以包括半导体层序列的整个表面，在所述接触区域中半导体层序列从上侧通过电极层接触。
根据另一实施方式，脊形波导结构通过钝化层至少部分地平坦化。换言之，钝化层在横向上施加在脊形部旁边并且具有如下厚度，所述厚度小于或优选等于脊形部在竖直方向上的高度，其中脊形部高度与横向上在脊形部旁边的半导体层序列的表面区域有关。钝化层可以与脊形波导结构一起、即与脊形部的脊形部上侧一起在此情况下优选地形成平坦的表面，使得电极层可以施加在平坦的面上，用以电接触脊形部上侧。
此外也可行的是，通过钝化层的一部分与脊形波导结构一起在脊形波导结构旁边形成沟槽，并且沟槽通过钝化层的另一部分至少部分地填充。换言之，钝化层可以具有至少一个第一横向地在脊形波导结构旁边构成的层，所述层与脊形波导结构间隔开。由此，沟槽可以通过第一层和脊形波导结构形成。第一层、在第一层和脊形波导结构之间的沟槽和脊形波导结构的侧面可以利用钝化层的第二层包覆。尤其是，钝化层可以借助这样的结构在横向上在脊形波导结构的脊形部的两侧上构成。
根据另一实施方式，钝化层和半导体层序列具有如下材料，其选自相同的化合物半导体材料体系，尤其相同的III-V族化合物半导体材料体系。特别优选地，半导体层序列可以基于氮化物，即尤其基于上文所述的InAlGaN材料体系。相应地，钝化层也可以特别优选地具有氮化物或由其构成，尤其选自InAlGaN材料体系。相应地，钝化层可以具有至少一个层或由其构成，其例如具有GaN或AlGaN或AlN或由其构成。利用“GaN”和“AlN”尤其可以表示二元材料，而利用“AlGaN”尤其表示出自InAlGaN材料体系的三元材料。钝化层的材料尤其可以是未掺杂的。这种材料尤其可以与常见的钝化材料、如例如SiO2、Si3N4和ZrO2相比具有更高的导热系数，使得通过这里所描述的钝化层与通过常见的钝化材料相比可以更好地将热导出。上文和下文中用于氮化物的实施方式相应地也适用于其他在上文针对半导体层序列提到的材料，即尤其也适用于磷化物和砷化物，也就是说出自InAlGaP材料体系和InAlGaAs材料体系的材料。
根据另一实施方式，钝化层具有镓。尤其是，钝化层可以具有GaN和/或AlGaN或由其构成。此外，钝化层也可以具有AlN。钝化层例如可以通过具有镓的唯一的层形成，所述唯一的层于是尤其具有GaN或AlGaN或由其构成。对此替选地，钝化层也可以具有至少两个或更多的层，其中所述层中的至少一个层具有镓，即至少一个层优选具有GaN或AlGaN或由其构成。特别优选地，钝化层的所有层可以具有氮化物或由其构成，即特别优选GaN和/或AlGaN和/或AlN。为了设定钝化层的所期望的特征，可以将具有有针对性地选择的厚度和组分的这样的层彼此组合以形成钝化层。在AlGaN的情况下，组分例如可以在钝化层的厚度范围或在钝化层的至少一个层的厚度范围改变。
根据另一实施方式，钝化层具有层堆叠，其具有至少两个层，其材料不同并且选自GaN、AlGaN和AlN。例如，钝化层可以具有层堆叠，其具有至少一个具有GaN或由其构成的层和至少一个具有AlN或由其构成的层，或由其构成。多个这样的层对也是可行的，即多个具有GaN或由其构成的层和多个具有AlN或由其构成的层，所述层交替地彼此重叠地施加。层堆叠在此情况下也可以构成为叠层或纳米叠层。层堆叠的这些层或至少具有相同材料的层可以具有相同的厚度。此外，具有不同材料的层和/或具有相同材料的层可以具有不同的厚度。通过有针对性地选择钝化层的层的数量、材料和厚度可以以期望的方式和与借助常规钝化材料、如例如SiO2、Si3N4或ZrO2相比更好地设定钝化层的折射率。
根据另一实施方式，钝化层具有可变的折射率。折射率例如可以沿着纵向方向变化。这例如可以通过沿着纵向方向、即在放射方向上变化的材料组分和/或变化的层组分和/或通过在纵向方向上变化的层厚度实现。此外，折射率可以在钝化层的厚度的方向上变化，即在背离、特别优选垂直背离表面区域的方向上变化。这可以通过沿着厚度方向变化的材料组分和/或变化的层组分和/或通过变化的层厚度实现。通过变化的折射率可以得到在激光器参数、如模式特性或远场方面的改进。
根据另一实施方式，钝化层借助原子层沉积在至少一个表面区域上沉积。在多层的钝化层中，尤其借助原子层沉积来施加钝化层的所有层。在原子层沉积(“atomic layerdeposition”，ALD)的方法中，通过至少两个气态提供的初始物质或化合物(“percursor(前体)”)的化学反应能够实现层形成。与同时输送初始物质的常规化学气相沉积相比，在原子层沉积中将初始化合物周期性地依次地装入反应室中。在此，首先将至少两种气态初始化合物中的第一初始化合物输送给反应室的体积，在所述体积中制造钝化层。第一初始化合物可以吸附在至少一个表面区域上。尤其是，在此可以有利的是，第一初始化合物的分子不规律地和在非长程有序的情况下吸附在表面区域上并且因此至少部分形成无定形的覆盖部。在以第一初始化合物优选完全或近似完全覆盖至少一个表面区域之后，可以输送至少两种初始化合物中的第二初始化合物。第二初始化合物可以与在表面区域上所吸附的第一初始化合物反应，由此可以构成钝化层的材料的子单层或最多一个单层。随后，又引入第一初始化合物，其可以堆积在形成的子单层或单层上和必要时还堆积在至少一个表面区域的留空的区域上。通过继续输送第二初始化合物可以制造另一子单层或单层。在初始化合物的气体入口之间可以利用清洁气体、尤其惰性气体、如氩气或氮气冲洗反应室，使得在每次装入初始化合物之前以有利的方式在反应室中不再存在之前的初始化合物。以此方式可以将部分反应清楚地彼此分离并且限制到至少一个表面区域上。原子层沉积的主要特征由此是部分反应的自限制的特征，这意味着：部分反应的初始化合物并不与自己或自身配体反应，这即使在任意长的时间和气体量的情况下也将部分反应的层生长限制到在至少一个表面区域上的密封材料的最多一个单层。
对上文所描述的将初始化合物的输送在时间上分开替选地，也能够将所述初始化合物输送到覆层室中、即例如覆层腔中的不同的区域中。由此，可以实现空间上分离的反应区域，因为覆层室划分成至少两个具有不同的初始化合物的区域，所述区域通过连续地用惰性气体冲洗的区域彼此分离。覆层通过如下方式进行：至少一个待覆层的表面区域相继地移动通过所述区域。例如，圆形的布置是可行的，使得多个覆层周期可以通过待覆层的表面旋转通过具有不同的初始化合物的区实现。替选地，具有不同的初始化合物的区的线性布置也是可行的，至少一个待覆层的表面区域多层来回移动通过所述区。
钝化层或钝化层中的至少一个层可以借助原子层沉积以大于或等于1纳米或者大于或等于5纳米或者大于或等于10纳米以及小于或等于1μm或小于或等于500nm或小于或等于100nm或者小于或等于50nm的厚度施加。钝化层的厚度以及在通过多个层形成的钝化层的情况下，钝化层的各个层的厚度尤其可以选择为，使得钝化层具有所期望的折射率。尤其针对钝化层施加在脊形波导结构的脊形部的至少一个侧面上的情况，由此可以有针对性地调整上文所描述的指数引导。
根据另一实施方式，钝化层具有比半导体层序列的所有层更小的结晶度。尤其是，钝化层可以是部分结晶的或特别优选大部分或完全是无定形的。与之相反地，外延生长的半导体层序列可以由半导体层形成，所述半导体层特别优选是完全结晶的。属于术语“完全结晶的”也是如下层，所述层具有晶格缺陷，如例如空缺或错位。结晶的、部分结晶的和无定形的层例如可以借助X射线衍射测量区分。例如，在适度的温度下、即小于或等于500℃和优选小于或等于300℃的温度下借助ALD，氮化物和/或含镓的材料可以部分结晶地或甚至无定形地制造。
根据另一实施方式，将电极层部分地施加在钝化层上。电极层尤其可以具有金属、金属化合物、合金或混合物或与之的层组合或由其构成。电极层尤其也施加在半导体层序列的表面区域上，所述表面区域没有钝化层，使得半导体层序列可以借助电极层电接触。特别优选的是，钝化层与电极层邻接地具有如下层，所述层具有GaN或AlGaN，因为金属良好地附着在所述材料上。
在这里所描述的半导体激光二极管和用于制造半导体激光二极管的方法中，附加地或与上文所描述的特征和实施方式组合地，尤其得到其他在下文中所描述的特征和优点。通过原子层沉积例如可行的是，沉积电绝缘的、透明的、优选高度导热的钝化层，其例如由基于III-V族化合物半导体材料的材料、如例如GaN、AlGaN和/或AlN构成。此外，钝化层可以具有层堆叠或由此形成，所述层堆叠也可以称作纳米叠层并且所述层堆叠通过多个数纳米厚的由AlN和GaN构成的层形成，例如AlN/GaN/AlN/GaN/……。经由相应的层厚度和各个层的相应的材料可以设定所期望的折射率。此外，通过改变在层堆叠内的材料和/或层厚度分布可以设定渐变的折射率变化曲线，借助所述折合率变化曲线可以非常灵活地设定在半导体层序列中的光学波长引导。由此，可以显著地改善半导体激光二极管的模式和远场分布以及扭折特性。所描述的钝化层还可以具有高的热导率的优点、良好的包覆特性和对环境影响、如例如湿气、臭氧、氧、硫等的高的保护作用。此外也可行的是，将钝化层的层仅仅部分沿着谐振器施加，以便例如在激光器棱面的区域中有助于扩展光学模式并且由此提高棱面负荷极限。
通过钝化层优选由与半导体层序列一样的材料体系制造，但如上所述具有较小的结晶度，有利地与常见的钝化相比可以实现在脊形波导结构与钝化部之间、尤其在脊形部侧面上的机械应力的减小，因为经由例如部分结晶的层的晶界减低应力。由此，得到如下优点：没有裂纹感生到半导体层序列中并且钝化层并不削掉。相应地制造的器件与此相应地示出改进的光学效率和改进的使用寿命。钝化层的结晶度的程度在此可以在层内或在层之间变化。例如，覆层参数、如例如温度可选择为，使得钝化层的靠近脊形波导结构的一个或多个层或区域与钝化层的更远离脊形波导结构的一个或多个层或区域相比具有更高的结晶度。由此可以实现，在激光器运行期间不出现脊形波导结构和钝化层的原子的混合，这引起半导体激光二极管的改进的效率和使用寿命。此外，例如靠近或邻接于电极层的一个或多个最上部的层或其一部分与其下的一个或多个层或一部分相比也可以具有更高的结晶度，由此例如可以降低电极层的金属原子和/或湿气、氧、硫或其他环境影响的进入。
附图说明
其他优点、有利的实施方式和改进方案从以下结合附图所描述的实施例中得到。
附图示出：
图1A至1E示出根据多个实施例的用于半导体激光二极管的半导体层序列和用于制造半导体激光二极管的方法的示意性视图，
图2示出根据另一实施例的半导体激光二极管的示意性视图，尤其在用于制造半导体激光二极管的方法的范围中，
图3至13B示出根据其他实施例的半导体激光二极管的示意性视图，尤其也在用于制造半导体激光二极管的方法的范围中。
在这些实施例和附图中，相同的、相似的或作用相同的元件可以分别设有相同的附图标记。所示的元件及其彼此间的大小关系不能视为合乎比例的，更确切地说，为了更好的可示性和/或为了更好的理解，可以夸大地示出个别元件，如例如层、组件、器件和区域。
具体实施方式
在图1A至1E中示出分别在衬底1上的半导体层序列2的实施例，所述半导体层序列提供和用来制造下文中所描述的半导体激光二极管，其中图1A示出随后的半导体激光二极管的光耦合输出面6的俯视图，而图1B示出借助垂直于光耦合输出面6的剖平面贯穿半导体层序列2和衬底1的剖面的视图。在图1C中示出用于半导体层序列2的结构的实施例。图1D和1E示出半导体层序列2的改型方案。
如在图1A至1C中所示，使用衬底1，所述衬底例如是用于在其上借助外延法制造的半导体层序列2的生长衬底。对此替选地，衬底1也可以是载体衬底，在生长衬底上生长的半导体层序列2在生长之后转移到所述载体衬底上。例如，衬底1可以由GaN构成，在所述衬底上生长基于InAlGaN化合物半导体材料的半导体层序列2。此外，其他材料、尤其如在概述部分所描述的那样对于衬底1和半导体层序列2也是可行的。对此替选地，也可行的是，制成的半导体激光二极管没有衬底。在此情况下，半导体层序列2可以在生长衬底上生长，所述生长衬底接着被去除。半导体层序列2具有有源层3，其适合于在制成的半导体激光二极管运行中产生光8，尤其在超过激光器阈值时产生激光，并且经由光耦合输出面6放射。
如在图1A和1B中所表明的那样，这里和在下文中将如下方向称作横向方向91，所述方向在光耦合输出面6的俯视图中平行于半导体层序列2的层的主延伸方向伸展。半导体层序列2的层的相叠的以及半导体层序列2在衬底1上的布置方向在此和在下文中称作竖直方向。在此和在下文中称作纵向方向93的是垂直于横向方向91和竖直方向92构成的方向，所述方向对应于如下方向，在制成的半导体激光二极管运行中沿着所述方向放射光8。
在半导体层序列2的背离衬底1的上侧上，通过从半导体层序列2的背离衬底1的一侧去除半导体材料的一部分构成脊形波导结构9。脊形波导结构9沿着纵向方向93伸展并且在横向方向91上在两侧通过侧面限界。通过脊形波导结构9朝向邻接的材料的侧面上的折射率突变，可以引起在有源层3中产生的光的所谓的指数引导，这决定性地会造成有源区5的构成，所述有源区说明在半导体层序列2中的如下区域，在所述区域中所产生的光被引导和在激光器运行中被放大。
除了有源层3之外，半导体层序列2可以具有其他半导体层，例如缓冲层、外壳层、波导层、阻挡层、电流扩展层和/或电流限制层。如在图1C中所示，半导体层序列2在衬底1上例如可以具有缓冲层31、其上的第一外壳层32和其上的第一波导层33，在所述波导层上施加有源层3。在有源层3之上可以施加第二波导层34、第二外壳层35和半导体接触层36。在所示的实施例中，第二外壳层35和半导体接触层36形成脊形波导结构9。但也可行的是，脊形波导结构9具有更小的或更大的高度，使得因此去除更少或更多材料以构成脊形波导结构9。例如，脊形波导结构9可以仅通过半导体接触层9或通过半导体接触层36和第二外壳层35的一部分形成。
如果半导体层序列2如上文所描述的那样基于InAlGaN化合物半导体材料，则缓冲层31可以具有未掺杂的或n型掺杂的GaN或由其构成，第一外壳层32可以具有n型掺杂的AlGaN或由其构成，第一波导层33可以具有n型掺杂的GaN或由其构成，第二波导层34可以具有p型掺杂的GaN或由其构成，第二外壳层具有p型掺杂的AlGaN或由其构成，并且半导体接触层36可以具有p型掺杂的GaN或由其构成。作为n型掺杂材料例如可以使用Si，作为p型掺杂材料例如使用Mg。有源层3可以通过pn结，如在图1C中所表明的那样，通过具有多个层的量子阱结构形成，所述层例如通过具有InGaN和GaN或由其构成的交替的层形成。衬底例如可以具有n型掺杂的GaN或由其构成。
此外，在光耦合输出面6和相对置的背侧面7上可以施加有反射性的或部分反射性的层或层序列，所述耦合输出面和背侧面形成半导体层序列2和衬底1的侧面，所述层或层序列出于概览原因在这些图中未示出并且所述层或层序列设计和构建为在半导体层序列2中构成光学谐振器。
如例如在图1A中可看到的那样，脊形波导结构9通过完全去除半导体材料在横向上在脊形部旁边在两侧形成。对此替选地，也可以构成所谓的“三脚架”，如在图1D中表明的那样，其中为了形成脊形波导结构9横向上在脊形部旁边仅沿着两个槽去除半导体材料。对此替选地，制成的半导体激光二极管也可以构成为所谓的宽条激光二极管，其中制造不带脊形波导结构的半导体层序列2并且提供用于其他方法步骤。在图1E中示出这种半导体层序列2。
其他方法步骤和实施例纯示例性地参照具有脊形波导结构9的半导体层序列阐述，如其在图1A至1C中所示的那样。但对此替选地，后续的方法步骤和实施例对于在图1D和1E中所示的半导体层序列的变型方案也是可行的。半导体层序列的在图1C所示的详细结构不应理解为限制性的并且在后续的附图中出于概览原因未示出。
在图2中局部地示出具有半导体层序列2的半导体激光二极管100，其中半导体层序列2在制造半导体激光二极管100的范围中在第一方法步骤中如上文所描述的那样制造并且提供给其他方法步骤。在另一方法步骤中，在表面区域20上施加钝化层10。
施加有钝化层10的表面区域20包括半导体层序列2的上侧的至少一部分。上侧尤其可以是半导体层序列2的与衬底相对置的一侧。如在图2中所示，表面区域20包括脊形波导结构9的脊形部的两个侧面。钝化层10尤其是透明的并且具有合适的折射率。通过因从半导体材料到钝化层10的过渡在脊形波导结构9的侧面上的折射率突变，可以实现在有源层3中产生的光的指数引导，这会决定性地引起有源区的构成。尤其，在所示的实施例中，表面区域20除了接触区域之外包括半导体层序列2的整个上侧，在所述接触区域中半导体层序列2从上侧通过电极层4接触。接触区域在此情况下通过脊形波导结构9的脊形部上侧形成。
钝化层10具有如下材料，其选自与半导体层序列2相同的材料体系。在用于半导体层序列2的InAlGaN化合物半导体材料体系的上文所描述的情况下，这尤其意味着：钝化层10的材料具有氮化物并且特别优选是至少一种氮化物。此外，钝化层10的材料具有镓。钝化层10因此优选具有GaN或AlGaN或由其构成。尤其是，钝化层10的材料是未掺杂的。
直接施加在半导体层序列2的表面区域20上的钝化层10的制造借助原子层沉积进行。在小于或等于500℃和优选小于或等于300℃的温度下，钝化层10的材料可以至少部分结晶地和特别优选无定形地施加。钝化层10因此具有比半导体层序列2的所有层更小的结晶度，使得钝化层10可以与半导体层序列2的层例如借助X射线衍射测量区分。钝化层10尤其是电绝缘的。由此，可以避免通过钝化层10的电流扩展(“current spreading”)，同时适合于光学波传播，由此可以得到在小的漏电流和高的反射镜负载极限方面的优点。
钝化层10根据所期望的光学特性可以以大于或等于1纳米或大于或等于5纳米或大于或等于10纳米以及小于或等于1μm或小于或等于500nm或小于或等于100nm或者小于或等于50nm的厚度施加。此外，钝化层10可以用于保护半导体层序列2，即尤其有源层3以及其他层，如例如波导层防止有害的外部影响，如例如湿气、臭氧、氧和硫，例如含硫的化合物中的硫，因为钝化层10可以通过借助原子层沉积来制造是高密度的。与此相比，典型地借助蒸镀、溅射或经由CVD工艺施加的常见的钝化材料由于其多孔特征常常仅仅为半导体层相对于环境影响提供小的保护。此外，可以实现在激光器运行中脊形波导结构9的表面的高的稳定性，因为表面区域20借助原子层沉积与其他典型所使用的方法相比可以被非常好地包覆。
在脊形波导结构9上，即尤其在脊形部上侧上以及在钝化层10上，在另一方法步骤中施加电极层4，以电接触半导体层序列2的上侧。电极层4例如可以具有如下金属中的一种或多种：Ag、Al、Au、Pt、Pd或ITO，呈单层形式或呈层堆叠形式。半导体激光二极管100可以具有另一电极层，用于电接触半导体层序列2的出于概览性原因未示出的另一侧。通过选择钝化层10的材料，即尤其GaN或AlGaN，可以实现电极层4良好附着在钝化层10上。尤其是，在将具有电极层4的半导体激光二极管安装在热沉上时，通过钝化层10可以得到良好的散热，所述热沉在根据图1C的半导体层序列2的层结构方面也可以称作“p型向下”安装。尤其是，通过这里所描述的钝化层10的散热与在其他常见的为差的热导体的钝化材料、如例如SiO2、Si3N4和ZrO2的情况下相比是更好的。因此，在常见的钝化材料的情况下，运行、尤其在较高的运行电流下的运行会导致增强地加热激光二极管，这在常见的激光二极管中一方面会导致效率损失，而另一方面会导致因不足的器件稳定性引起的提高的风险。
结合后续的附图描述如下实施例，其为在图2中所示的实施例的改进方案和修改方案。对后续的实施例的描述因此主要涉及与已经描述的实施例的区别。尤其是，后续的实施例也具有上文已经描述的优点。
在图3中示出用于半导体激光二极管100的一个实施例，其中钝化层10通过具有第一层11和第二层12的层堆叠13形成。层序列13也可以称作所谓的纳米叠层，其中各个层11、12优选具有大于或等于1nm或大于或等于5nm或大于或等于10nm且小于或等于100nm或小于或等于50nm的厚度。纯示例性地，示出两个层对，其分别具有第一层11和第二层12。对此替选地，钝化层10也可以具有更少或更多的层或层对。第一层和第二层11、12是具有AlN或GaN的层，使得所示的层堆叠13是AlN/GaN/AlN/GaN叠层，其中层堆叠13优选邻接于电极层4由于金属在其上的良好的附着特性而具有带有GaN的层。通过使用AlN可以改善热传导。
经由层11、12的数量以及经由其相应的可以相同或不同的厚度和因此也经由钝化层10的厚度，可以限定地设定钝化层10的折射率，以便能够有针对性地构成脊形波导结构9的波引导特性。与之相比，在具有目前常见的介电质作为钝化材料的传统的激光二极管中通过选择介电质来规定钝化部的折射率。经由改变折射率而改变的波引导因此在常规激光二极管中仅仅通过更换介电质是可能的。但通过改变的介电质，除了折射率之外也改变其他组件特性，例如介电质在半导体上的附着、电极层在介电质上的附着、电击穿强度以及关于湿气、氧、硫等等的扩展阻挡特性。
在图4中示出用于半导体激光二极管100的一个实施例，其中与之前的实施例相比折射率沿着钝化层10的厚度的方向因第一层11和第二层12的厚度彼此间的层厚度关系改变而改变。在所示的实施例中，在背离表面区域的方向上减小第一层11的层厚度。相应地，由此可以经由钝化层10的层厚度设定折射率变化曲线。由此，可以控制模特性、远场特性和扭折特性。
在图5中示出用于半导体激光二极管100的另一实施例，其中钝化层10使脊形波导结构9平坦化。钝化层10可以如结合其他实施例所描述的那样单层地或多层地构成。尤其是，钝化层10例如可以如结合图3和图4所描述的那样具有层堆叠或由其构成。钝化层10如在前面的实施例中那样施加到脊形部侧面上和横向上施加在脊形波导结构9的脊形部旁边并且具有如下厚度，所述厚度等于脊形部在竖直方向上的高度，其中脊形部高度参考横向上在脊形部旁边的半导体层序列2的表面区域。钝化层10由此与脊形波导结构9一起、即与脊形部的脊形部上侧一起优选形成平坦的面，使得电极层4可以施加在平坦的面上以电接触半导体层序列2，并且因此平面地平放在半导体层序列2之上。由此，半导体激光二极管100的安装特性在利用电极层4安装在热沉上时得以改善。在其他实施例中的钝化层10同样可以分别构成为，使得脊形波导结构9如在图5的实施例中那样完全地或替选地至少部分地平坦化。
在图6中示出用于半导体激光二极管100的另一实施例，其中钝化层10具有带有AlN或由其构成的第一层，所述第一层具有大到使得脊形波导结构9如所示地那样至少部分被平坦化的厚度。通过AlN确保钝化层10的非常好的导热性。为了实现电极层4在钝化层10上的良好附着，钝化层10附加地如在图6中所示的那样可以具有第二层12，该第二层具有GaN或AlGaN或由其构成。替选地，如例如结合图3和图4所示的层堆叠也可以施加在第一层11上。
根据图7的实施例的半导体二极管100具有钝化层10，该钝化层具有AlGaN或优选由其构成。经由三元材料的在借助ALD生长期间也会改变的组分，可以限定地设定钝化层10的折射率。由此，如也在其他实施例中那样可以实现电学和光学引导、即电学约束和光学约束的分离，因为钝化层10允许光学穿透，但是同时起电学阻挡作用。
钝化层10可以如前面所描述的那样具有均匀的组分或改变的组分。借助后者、尤其逐渐改变的三元AlGaN组分可以实现折射率梯度，例如从靠近表面区域20的较高的折射率到靠近钝化层10的背离半导体层序列2的一侧的较低的折射率。从高折射率到低折射率的过渡在此情况下可以连续地并且无突然突变地进行，由此可以得到“平缓的”波引导。这可以对改进的扭折特性有影响。同时，如在其他实施例中那样可以实现良好的导热。
在图8中示出用于半导体激光二极管100的一个实施例，其中钝化层10具有带有AlN或优选由AlN构成的第一层11，在所述第一层上施加有层堆叠13或一个或多个层，例如如结合之前的附图所描述的那样。层堆叠13于是例如可以具有AlN/GaN层堆叠，AlGaN/AlN层堆叠，GaN/AlGaN层堆叠或替选地也具有AlGaN层或由其构成。在此和在下文中，术语“X/Y层堆叠”或“X/Y叠层”表示：层堆叠具有至少一个或多个带有材料“X”或由其构成的层，并且具有至少一个或多个带有材料“Y”或由其构成的层，所述层交替地上下相叠地设置。
第一层11具有相对小的厚度，优选几纳米，并且用作保护层，所述保护层由于其小的厚度只会对波引导有小的影响。尤其是，第一层11可以为表面区域20和由此为在侧面上的脊形波导结构9的表面提供保护以抵御材料混合，所述材料混合在较高的激光器功率的情况下尤其在传统激光二极管中会成问题。在传统激光二极管中在半导体材料与钝化部的介电质之间的这种边界面混合会导致，在基于III-V族化合物半导体材料的激光二极管中，V族成分是挥发性的并且出现吸收中心。这又导致效率的损失和提高的退化速率。
此外，第一层11可以形成对漏电流的特别有效的阻挡。对AlN替选地，第一层例如也可以具有AlGaN或同样具有带有多个层的层堆叠。此外，为了形成钝化层10也可以将其他层或层堆叠施加到所示的层上。
在图9中示出用于半导体激光二极管100的一个实施例，其中钝化层10具有层堆叠13，例如AlN/GaN层堆叠，如结合图3和图4所描述的那样，和其上的带有AlN或优选由其构成的层11，或由其构成。由此可以实现通过层堆叠13实现的波引导功能与扩散阻挡功能的分离，尤其在朝向电极层4的边界面处实现。替选地，层堆叠13也可以是AlGaN/AlN叠层或GaN/AlGaN叠层。层11替选地也可以具有AlGaN或由其构成或具有AlN/AlGaN叠层或由其构成。可选地，也可以将其他层施加在所示的层之上、其间或其下，以形成钝化层10。此外可选地，可以经由GaN波导进行波引导，尤其当在其下设置在半导体层序列2中的整面的波导具有InGaN或由其构成时如此。
根据图10的实施例的半导体激光二极管100具有多层系统作为钝化层10，该多层系统如之前的实施例那样能够实现电学引导和光学引导的有效脱耦。钝化层10具有第一层11，该第一层具有GaN或由其构成。不导电的GaN层11妨碍电流扩展，但同时适合于光学波传播。在其上施加有第二层12，所述第二层具有AlGaN或由其构成，所述第二层可以如结合图7所描述的那样构成。替选地，代替第二层12也可以存在层堆叠，例如如结合图3和4所描述的那样。通过第二层12可以实现光学波引导。在第二层12上可选地施加有第三层14，该第三层例如可以具有AlN或由其构成，并且所述第三层可以形成对泄漏电流的有效阻挡和/或有效的扩展阻挡。
在图11中示出用于半导体激光二极管100的一个实施例，其中钝化层10、尤其第一层11与脊形波导结构9一起在脊形波导结构9旁边形成沟槽，并且沟槽通过钝化层10的层堆叠13遮盖或至少部分填充。尤其是，钝化层10在脊形波导结构9旁边在两侧具有第一层11，该第一层具有AlN或由其构成，所述第一层与脊形波导结构9间隔开。第一层11、在第一层11和脊形波导结构9之间的沟槽以及脊形波导结构9的侧面由层堆叠13包覆，所述层堆叠例如可以如结合图3和4所描述的那样构成。对此替选地，也可以施加AlGaN层来替代层堆叠13。
钝化层10与脊形波导结构9一起形成所谓的、已经在上文中结合图1D所描述的三脚架结构，其例如在半导体激光二极管100制造时、安装时和在运行中可以为脊形波导结构9提供良好保护以免损伤。此外，可以实现借助电极层4在热沉上的良好的可安装性，其中尤其第一层11可以导致良好的散热，而波导特征可以通过层堆叠13设定。
在图12A和12B中示出根据另一实施例的半导体激光二极管100的剖视图，其中在图12A中示出在谐振器的中心中的半导体激光二极管100，而图12B示出靠近一个或两个棱面、尤其靠近光耦合输出面的半导体激光二极管100。如可以容易地看到的那样，钝化层10的组分在层组分和材料组分方面沿着纵向方向改变，即沿着谐振器改变。靠近(多个)棱面，钝化层10具有第一层11，其具有GaN或由其构成，在所述第一层上例如根据图3和4的实施例之一施加有层堆叠13，而第一层11并不存在于谐振器中心的区域中。第一层11因此仅仅部分沿着谐振器施加。沿着脊形波导结构9的这种改变的层组分例如可以经由掩模技术在原子层沉积的范围中实现。通过靠近一个或两个棱面的附加的第一层11例如可以实现光学模式的扩展，由此可以提高棱面负荷。由于这种靠近棱面的区域通常并未供电，能够实现，对谐振器中的居量反转无贡献的电流不丢失。
此外，也可行的是，第一层11具有AlN或由AlN构成。由此，在棱面附近可以实现改进的散热，由此同样可以提高棱面负荷。
在图13A和13B中同样示出根据另一实施例的半导体激光二极管100的剖视图，其对应于图12A和12B的剖视图。与之前的实施例不同，又具有GaN或优选AlN或可以是GaN或优选AlN的电绝缘的第一层11在棱面附近的区域中附加地在脊形波导结构9之上延伸，使得尤其通过第一层11可以阻止对棱面附近中的脊形波导结构9的通电。由此还可以更有效地对抗棱面发热，使得可以进一步提高棱面负荷。此外，附加地可行的是，激光器棱面的附加散热借助部分在棱面区域中借助于原子层沉积施加的单层的或多层的钝化层来实现。
在这些图中所示的实施例和特征并不限于在这些图中分别所示的组合。更确切而言，所示的实施例以及各个特征可以彼此组合，即使并未明确描述所有组合可能性也如此。此外，在这些图中描述的实施例替选地或附加地可以具有根据在概述部分中的描述的其他特征。
本发明并不因根据实施例的描述局限于此。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，即使这些特征或组合本身并未明确地在权利要求或实施例中予以说明也如此。
附图标记表
1 衬底
2 半导体层序列
3 有源层
4 电极层
5 有源区
6 光耦合输出面
7 背侧面
8 光
9 脊形波导结构
10 钝化层
11、12、14 层
13 层堆叠
20 表面区域
31 缓冲层
33、35 外壳层
33、34 波导层
91 横向方向
92 竖直方向
93 纵向方向
100 半导体激光二极管