AT528275A1 - Vorrichtung zur Laserstrahlenemission - Google Patents

Vorrichtung zur Laserstrahlenemission

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Laserstrahlenemission, mit einer drei aufeinander aufgewachsene Halbleiterlagen (2, 3, 4) umfassenden Doppelheterostruktur (1), deren äußere Halbleiterlagen (3, 4) voneinander abweichende Dotierungstypen aufweisen, beschrieben. Um eine solche Vorrichtung zu schaffen, welche mit mithilfe konventioneller Herstellungsverfahren erhältlich ist und eine Erzeugung von Laserlicht auch bei typischen Umgebungstemperaturen von 0 - 55°C ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass zwischen den äußeren Halbleiterlagen (3, 4) der eine Laserdiode bildenden Doppelheterostruktur (1) eine, einen Typ-II p-n- oder p-i-n- Übergang ausbildende innere Halbleiterlage (2) angeordnet ist, wobei zwischen den äußeren Halbleiterlagen (3, 4) eine so hohe Spannung anliegt, dass die Differenz der beiden auf die Bandzustände bezogenen, die Besetzung der Leitungsbandzustände durch Elektronen und / oder der Valenzbandzustände durch Löcher beschreibenden Fermi-Energien in der inneren Halbleiterlage (2) wenigstens der dortigen Bandlücke entspricht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Laserstrahlenemission, mit einer drei aufeinander aufgewachsene Halbleiterlagen umfassenden Doppelheterostruktur, deren äußere Halbleiterlagen voneinander abweichende
Dotierungstypen (p- bzw. n-Typ Dotierung) aufweisen.
Doppelheterostrukturen (DHS), die auf Hauptgruppe IV Halbleitern basieren, wurden bisher typischerweise für die Optimierung von Bipolartransistoren eingesetzt (Rücker H, & Heinemann, B.; High-perfomance SiGe IIBTs for next generation BICMOS technology, Semiconductor Science and Technology 33, 114003 -2018).
Aufgrund der weitreichenden Verbreitung sowie materialspezifischer Vorzüge von Silicium (Si) zeigen DHS auf Basis von Hauptgruppe IV Halbleitern, beispielsweise DHS auf Basis von Siliciumgermanium (SiGe), grundsätzlich Potenzial im Bereich der integrierten Optik. Derartige DHS weisen ein charakteristisches Typ-ll Bandkantenprofil auf, wobei im thermischen Gleichgewicht nur ein Ladungsträgertyp, entweder Elektronen oder Löcher, von der inneren Halbleiterlage angezogen wird, wohingegen der andere Ladungsträgertyp abgestoßen wird. Aufgrund eines solchen Typ-Il Bandkantenprofils konnten für die Erzeugung von Laserlicht geeignete DHS aus diesem Materialsystem, insbesondere solche, die auch bei Umgebungstemperaturen für die Erzeugung von Laserlicht geeignet sind, mithilfe konventioneller Epitaxieverfahren bei darin üblichen Wachstumsbedingungen, d.h. mit Wachstumstemperaturen von über 400°C, bislang nicht realisiert werden. Dies scheiterte in der Praxis abgesehen vom inhärenten Typ-II Bandkantenprofil auch daran, dass mit höheren Germaniumgehalten der
Unterschied zwischen den Periodizitäten der Kristallgitter von Silicium und
erwiesen hat.
Ausgehend von einer DHS, deren konstituierende bzw. intrinsische Halbleiterlagen im thermischen Gleichgewicht ein Typ-IIl Bandkantenprofil ausbilden, wie beispielsweise das zuvor genannte SiGe Materialsystem, liegt der der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art zu schaffen, welche mit mithilfe konventioneller Herstellungsverfahren erhältlich ist und eine Erzeugung von Laserlicht auch bei typischen Umgebungstemperaturen von 0 -
55°C ermöglicht.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass zwischen den äußeren Halbleiterlagen der eine Laserdiode bildenden Doppelheterostruktur eine, einen Typ-Il p-n- oder p-i-n-Übergang ausbildende innere Halbleiterlage angeordnet ist, wobei zwischen den äußeren Halbleiterlagen eine so hohe Spannung anliegt, dass die Differenz der beiden auf die Bandzustände bezogenen, die Besetzung der Leitungsbandzustände durch Elektronen und / oder der Valenzbandzustände durch Löcher beschreibenden Fermi-Energien in der inneren Halbleiterlage wenigstens
der dortigen Bandlücke entspricht.
Charakteristisch für Typ-I! Übergänge bei einer DHS, die eine in einer Sandwichstruktur beidseitig von äußeren Halbleiterlagen umgebenen inneren Halbleiterlage aufweist, sind bestimmte Beziehungen der Valenz- und Leitungsbandkantenenergien bzw. Ec, d.h. wenn Ey (außen) < Ev (innen): dann ist
Ec (außen) < Ec (innen) Dzw. wenn Ey (augen) > Ev (innen): dann ist Ec (außen) >
Ec (innen)- Damit gehen typischerweise gestaffelte Banddiskontinuitäten AEy und AEeinher, was im Gegensatz zu Typ-I Übergängen zu einer räumlichen Trennung der Elektronen und Löcher führt. Zur Erzeugung von optischer Verstärkung als Grundvoraussetzung für den Einsatz als Laserdiode muss zum einen diese den Typ-Il Charakter der DHS definierende räumliche Trennung der Ladungsträgersorten aufgehoben und ins Gegenteil, also in eine deutliche, weiter
unten noch quantifizierte Konzentration von Elektronen und Löchern im inneren
eines optischen Verstärkungskoffizienten (Gainkoeffizienten) y > 0 an der inneren
Molekularstrahlepitaxie ermöglicht wird.
Für den erfindungsgemäßen Einsatz einer DHS mit einem Typ-Il Bandkantenprofil weist eine der angrenzenden äußeren Halbleiterlagen eine p-Dotierung auf, wohingegen die dieser äußeren Halbleiterlage bezüglich der inneren Halbleiterlage gegenüberliegende zweite äußere Halbleiterlage n-dotiert ist. Im Falle eines p-nÜbergangs befindet sich dieser vorzugsweise in der Mitte der inneren Halbleiterlage. Weist die innere Halbleiterlage eine angenommene Dicke d auf,
dann ist im Sinne der Erfindung auch eine Abweichung der Position des p-nÜbergangs von dieser Idealposition von bis zu +5 zulässig. Bei einem p-i-n-
Übergang liegt die Mitte der nominell intrinsischen (d.h. undotierten) i-Schicht vorzugsweise in der Mitte der inneren Halbleiterlage. Dementsprechend ist auch
eine Abweichung der Mitte der i-Schicht von der Mitte der inneren Halbleiterlage mit Dicke d von bis zu +53 mit zulässig, wobei d; die Dicke der intrinsischen Schicht
ist, die vorzugsweise nicht größer als 10% der Diffusionslänge der
Minoritätsladungsträger in der inneren Halbleiterlage sein soll.
Im Sinne der Erfindung kann die innere Halbleiterlage auch optische Rekombinationszentren aufweisen. Solche Rekombinationszentren erhöhen die Rate der Rekombination von Elektronen und Löchern unter Aussendung
elektromagnetischer Strahlung. Beispielsweise können u.a. spezielle Arten von
eine Sublagendicke von 0,1 bis 5 nm, vorzugsweise von 0,5 nm aufweisen.
Allgemein empfiehlt sich, dass die innere Halbleiterlage eine Dicke aufweist, die höchstens dem 1,2-fachen der Summe, bevorzugter höchstens dem 1,1-fachen der Summe, noch bevorzugter höchstens der Summe der Diffusionslängen L, und L„ der Elektronen bzw. Löcher entspricht, wobei die Diffusionslängen durch die Beziehung L£ = ‚/De *tT bzw. Ly = /Dx *t mit der Minoritätsladungsträgerlebensdauer t und den Diffusionskoeffizienten D, bzw. Dy der Elektronen bzw. Löcher gegeben sind. Darüber hinaus sollte die Dicke der inneren Halbleiterlage zumindest so groß sein, dass Effekte der Quantisierung in Folge der Ladungsträgerlokalisierung in der inneren Halbleiterlage auf die dortige energetische Zustandsdichte im Vergleich zur thermischen Energie
vernachlässigbar sind.
Grundsätzlich kann eine erfindungsgemäße Doppelheterostruktur auf Basis von Halbleitern der Hauptgruppe Ill, IV oder V gebildet werden. Sämtliche Halbleiterlagen, insbesondere die innere Halbleiterlage, können dabei als Mischkristalllage ausgebildet sein. Besonders günstige optoelektronische Bedingungen insbesondere in Bezug auf die Laserstrahlenemission ergeben sich,
wenn die Doppelheterostruktur beispielsweise auf Basis von
angelegte Vorwärtsspannung vorzugsweise im Bereich von 2 bis 3 V liegt.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Doppelheterostruktur wird mithilfe von z.B. Molekularstrahlepitaxie die innere Halbleiterlage epitaktisch zwischen den beiden äußeren Halbleiterlagen eingebettet. Um im Falle einer Silicium/Siliciumgermanium/Silicium DHS eine besonders hohe strukturelle Qualität der optisch aktiven inneren Halbleiterlage und damit einhergehend ein besonders vorteilhaftes Emissionsverhalten zu erreichen, empfiehlt es sich, dass Wachstumstemperaturen von höchstens 350°C und ein Druck von höchstens 2*10"%mbar in der Wachstumskammer eingehalten werden. Dadurch können versetzungsfreie und damit einen unerwünschten Verspannungsabbau verhindernde, innere Siliciumgermanium Halbleiterlagen erhalten werden, die sich
für den Lasereinsatz als vorteilhaft erwiesen haben.
In diesem Zusammenhang kann eine besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Ansammlung von Elektronen und Löchern in der inneren Halbleiterlage erreicht werden, wenn diese im Fall von Siliciumgermanium eine Dicke von wenigstens 14
nm bzw. im Fall von Indiumarsenid eine Dicke von wenigstens 30 nm aufweist.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es
zeigen
Fig. 2 bis 6 der Fig.1 entsprechende Darstellungen weiterer Ausführungsformen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Laserstrahlenemission weist eine als Laserdiode ausgebildete Doppelheterostruktur 1 auf, die eine innere Halbleiterlage 2 umfasst, welche unter Ausbildung einer Sandwich-Struktur epitaktisch zwischen äußeren Halbleiterlagen 3, 4 eingebettet ist. Wie dies durch die jeweils unterschiedlichen Schrägschraffuren angedeutet wird, ist die äußere Halbleiterlage 3 n-dotiert, wohingegen die äußere Halbleiterlage 4 p-dotiert ist. Gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform befindet sich ein Typ-Il p-n-Übergang, welcher die sprunghafte Grenze zwischen Akzeptordotierung und Donatordotierung angibt, in der Mitte der inneren Halbleiterlage 2. Entsprechend der jeweils gezeigten Doppelschraffuren liegt links vom p-n-Übergang der n-dotierte Bereich und rechts vom p-n-Übergang der p-dotierte Bereich der inneren Halbleiterlage 2. Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform, wobei sich ein Typ-Il p-i-n-Übergang in der
inneren Halbleiterlage 2 befindet.
Um trotz des Typ-Il Übergangs eine für die Laserstrahlenemission entscheidende optische Verstärkung in der inneren Halbleiterlage 2 zu erreichen, liegt an der Laserdiode bzw. an entsprechenden Kontaktstellen 5, 6 an den äußeren Halbleiterlagen 3, 4 über einer Spannungsquelle 7 eine so hohe Spannung an, dass die Differenz der beiden auf die Bandzustände bezogenen Fermi-Energien in der inneren Halbleiterlage wenigstens der dortigen Bandlücke entspricht. Demgemäß
muss für die Spannung AV bei elektrischer Elementarladung q gelten
Ere (innen) Ern (innen) > Eg (innen)
AV=-V%> q q
% und VW, entsprechen hierbei den an den Kontaktstellen 5 bzw. 6 angelegten elektrischen Potentialen. Ere (innen) UNd Ern (innen) beziehen sich jeweils auf die
Fermi-Energien in der inneren Halbleiterlage 2, welche die Besetzung der
Leitungsbandzustände mit Elektronen bzw. der Valenzbandzustände mit Löchern
Halbleiterlage 2.
Vorzugsweise beträgt die Spannung AV wenigstens 0,65 V. Da mit Erhöhung der Spannung AV der Strom durch die Laserdiode und damit auch die ohm’sche Verlustleistung ansteigt, ist eine obere Grenze von AV grundsätzlich dann erreicht, wenn die ohm’schen Verlustleistung zur Zerstörung der Diode führt. Diese obere Grenze ist abhängig vom Materialsystem, von der Implementierung der Diode,
sowie von der Effizienz einer aktiven Kühlung.
Im Falle von Silicium/Siliciumgermanium/Silicium DHS sowie Aluminiumantimonid/Indiumarsenid/Aluminiumantimonid DHS kann eine angelegte Spannung AV im Bereich von 0,8 bis 1 V vorteilhaft sein. Bei Aluminiumphosphid/Galliumphosphid/Aluminiumphosphid DHS liegt die angelegte
Spannung AV vorzugsweise im Bereich von 2 bis 3 V, insbesondere bei 2,8 V.
Die Dicke d der inneren Halbleiterlage 2 sollte höchstens der Summe der jeweiligen Minoritätsladungsträgerdiffusionslängen L, und L„ der Elektronen bzw. Löcher in Halbleiterlage 2 entsprechen. Außerdem darf im Falle eines p-n-Übergangs, wie dieser in den Ausführungsformen der Fig. 1, 3 und 4 gezeigt ist, der p-n Übergang nicht weiter als L„, von der Grenze zwischen der äußeren Halbleiterlage 3 und dem n-dotierten Teil der inneren Halbleiterlage 2 bzw. nicht weiter als L, von der Grenze zwischen der äußeren Halbleiterlage 4 und dem p-dotierten Teil der inneren Halbleiterlage 2 entfernt sein. Im Falle eines p-i-n-Übergangs, wie dieser beispielhaft in Fig. 2, 5 und 6 gezeigt wird, beziehen sich die erlaubten Abstandsangaben in entsprechender Weise auf die Mitte der durch eine ausschließlich vertikale Schraffur angedeuteten intrinsischen Schicht anstatt auf den
p-n Übergang.
Für kleine Schichtdicken (d < L„ und d < Le) empfiehlt es sich, dass die Position eines p-n-Übergangs höchstens um +5 von der Mitte der inneren Halbleiterlage 2
abweicht. Zusätzlich zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 sind in Fig. 3 und 4 weitere
Halbleiterlage 2.
Bei den beispielhaft angeführten p-i-n-Übergängen gemäß Fig. 2, 5 und 6 liegt eine Abweichung der Mitte der intrinsischen Schicht von der Mitte der inneren
Halbleiterlage 2 von bis zu + — vor, wobei d; die Dicke der intrinsischen Schicht
bezeichnet. Die mit ausschließlich vertikaler Schraffur dargestellte intrinsische Schicht der inneren Halbleiterlage 2 grenzt bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform unmittelbar an die n-dotierte äußere Halbleiterlage 3, bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 unmittelbar an die p-dotierte äußere Halbleiterlage 4
an.

Claims (1)

  1. (345248.2) KA
    Patentansprüche
    1. Vorrichtung zur Laserstrahlenemission, mit einer drei aufeinander aufgewachsene Halbleiterlagen (2, 3, 4) umfassenden Doppelheterostruktur (1), deren äußere Halbleiterlagen (3, 4) voneinander abweichende Dotierungstypen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den äußeren Halbleiterlagen
    (3, 4) der eine Laserdiode bildenden Doppelheterostruktur (1) eine, einen Typ-Il p-noder p-i-n-Übergang ausbildende innere Halbleiterlage (2) angeordnet ist, wobei zwischen den äußeren Halbleiterlagen (3, 4) eine so hohe Spannung anliegt, dass die Differenz der beiden auf die Bandzustände bezogenen, die Besetzung der Leitungsbandzustände durch Elektronen und / oder der Valenzbandzustände durch Löcher beschreibenden Fermi-Energien in der inneren Halbleiterlage (2) wenigstens
    der dortigen Bandlücke entspricht.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Halbleiterlage (2) Rekombinationszentren zur Förderung einer strahlenden
    Rekombination von Elektronen und Löchern aufweist.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekombinationszentren als Quantenpunkte und / oder als Farbzentren ausgebildet
    sind.
    4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
    dass die innere Halbleiterlage ((2) eine oder mehrere Sublagen aufweist.
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Spannung wenigstens bei 0,4 V liegt.
    entspricht.
    7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelheterostruktur (1) auf Basis von Silicium/Siliciumgermanium/Silicium, Aluminiumantimonid/Indiumarsenid/Aluminiumantimonid oder
    Aluminiumphosphid/Galliumphosphid/Aluminiumphosphid gefertigt ist.
    8. Verfahren zur Laserstrahlenemission mit einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den äußeren Halbleiterlagen (3, 4) eine so hohe Spannung angelegt wird, dass die Differenz der beiden auf die Bandzustände bezogenen, die Besetzung der Leitungsbandzustände durch Elektronen und / oder der Valenzbandzustände durch Elektronenlöcher beschreibenden Fermi-Energien in der inneren Halbleiterlage (2)
    wenigstens der dortigen Bandlücke entspricht.
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung
    wenigstens bei 0,4 V liegt.
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