WO2002043120A2 - Semiconductor laser element and method for producing such a semiconductor laser element - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a semiconductor laser element and a method for producing a semiconductor laser element.
  • Such a semiconductor laser element and a method for producing a semiconductor laser element are known from [1].
  • semiconductor layer systems are usually grown on a substrate made of gallium arsenide as a typical combination of materials.
  • a first semiconductor layer system with an n-doped layer of aluminum gallium arsenide and • further grown on this layer layer of indium gallium arsenide is grown on a substrate layer of gallium arsenide.
  • a second semiconductor layer system with a layer of gallium arsenide and a p-doped layer of aluminum gallium arsenide grown thereon is grown on the layer of indium gallium arsenide.
  • a further layer is grown on the second semiconductor layer system.
  • MBE Molecular Bea Epitaxy
  • organometallic gas phase epitaxy is usually used to grow the various layers.
  • the layers are deposited by a kind of crystalline condensation of atomic rays or molecular rays on a substrate surface.
  • the atomic beams are generated by evaporating high-purity starting materials, each corresponding to the layer to be grown, in a purity of usually at least 99.999% in an oven cell.
  • the particle flow and thus the growth of the individual elements and thus the formation of the respective layer to be grown can be controlled via the temperature of the corresponding furnace cell.
  • Known semiconductor lasers thus consist of compound semiconductors which usually have a lattice constant that is different from the lattice constant of silicon.
  • the different lattice constants result in dislocations being formed in the grown heterostructures during the epitaxial growth of heterostructures from compound semiconductors on a silicon substrate.
  • the lower efficiency or the shorter lifespan of semiconductor lasers made of compound semiconductors on a substrate made of silicon is due in particular to the fact that free electrical charge carriers in the active region of the laser in which the laser beams are formed in this active region at the above-mentioned ones Dislocations or other crystalline or electrical defects, which are referred to below as defects, are captured and recombine there in a non-radiative manner.
  • the energy generated is not converted into light, but into heat.
  • the heat generated thus reduces in particular the efficiency and the service life of the semiconductor laser.
  • Quantum dots are grown from a III / V compound semiconductor material, especially indium arsenide. Silicon is in turn applied to the quantum dots.
  • [4] describes fundamental aspects of self-ordering quantum dots.
  • quantum wells being formed from a layer structure of aluminum gallium arsenide, gallium arsenide as the quantum dot layer, and again aluminum gallium arsenide.
  • the invention is based on the problem of specifying a semiconductor laser element and a method for producing a semiconductor laser element, in which it is possible to grow heterostructures on a substrate, wherein the lattice constant of the heterostructure and the substrate layer are significantly different from one another, as a result of which the service life of the semiconductor laser element produced is improved compared to the prior art.
  • a semiconductor laser element has a substrate made of a first material with a first lattice constant.
  • the substrate can be made of silicon, for example, or also of germanium, gallium phosphide, gallium arsenide, sapphire or silicon carbide.
  • a first semiconductor layer system with at least one first semiconductor material has been grown on the substrate, the first semiconductor material having a second lattice constant that is not equal to the first lattice constant of the first material.
  • such a first semiconductor material can be gallium arsenide or an alloy of aluminum gallium arsenide.
  • Aluminum-gallium phosphide can also be used as the first semiconductor material.
  • the first semiconductor material can be an alloy of aluminum x gallium x nitride, with 0 ⁇ x ⁇ 1.
  • the first semiconductor material can also be a material of the general alloy tin-selenium / cadmium-magnesium-zinc-
  • Selenide-sulfide-telenide based on silicon, germanium or Gallium phosphide or gallium arsenide is grown as the first material of the substrate.
  • the first semiconductor material has a significantly different lattice constant compared to the lattice constant of the first material of the substrate.
  • the first semiconductor layer system can have a plurality of semiconductor layers, for example on the first material silicon, germanium or gallium phosphide as substrate material, a layer sequence of indium phosphide grown on the substrate and a semiconductor layer grown thereon from the alloy of the general material matrix indium-y-gallium ⁇ _y -Arsenide z -Phosphid ⁇ _ z , with 0 ⁇ y ⁇ 1 and 0 ⁇ z ⁇ 1, have grown up.
  • the layer system with the layer of indium phosphide grown directly on the substrate silicon, germanium or gallium phosphide or gallium arsenide, the layer system with the layer of indium phosphide grown directly on the substrate, a layer of indium gallium arsenide grown thereon and a layer of indium Aluminum arsenide.
  • a first semiconductor layer system comprising a layer of aluminum gallium nitride grown on the substrate, a semiconductor layer made of gallium nitride grown thereon and a layer grown on the gallium nitride layer can be formed on the substrates made of sapphire or silicon carbide
  • first material silicon, indium, germanium, gallium phosphide or gallium arsenide as substrate material for example, an alloy of the general material matrix of cadmium-magnesium-zinc-selenide-sulfide-telenide and one on top of it can be used as the first semiconductor material Layer grown layer of zinc selenide.
  • a quantization layer made of a quantization material has grown on the first semiconductor layer system, the quantization material having a third lattice constant that is greater than the second lattice constant of the first semiconductor material in the first semiconductor layer system.
  • the quantization layer is set up in such a way, for example on the basis of the material properties of the quantization material and / or on the basis of the thickness of the quantization layer, that a quantization effect is formed in the quantization layer, as a result of which the electrical charge carriers diffuse to defects in the first semiconductor layer system and / or in the second semiconductor layer system be at least partially prevented.
  • the quantization layer denotes a layer in which one or more layers of so-called quantum boxes are formed, that is to say of three-dimensional structures that clearly serve as a three-dimensional potential well with regard to electrical charge carriers, that is to say the movement of electrical charge carriers into every spatial one Impede or at least inhibit direction.
  • Semiconductor material is grown until a thickness is reached at which three-dimensional structures, which represent the quantum boxes, form in the crystal lattice in order to reduce the mechanical stresses generated due to the larger lattice constant.
  • These have a base area which is usually 20 nm wide and are approximately 5 nm high and therefore lead to quantization effects which prevent the electrical charge carriers from spreading in three-dimensional space.
  • the electrons and holes are thus very efficiently "captured" by the quantum boxes due to the smaller energy band gap with respect to the surroundings of the quantum boxes.
  • the electrical charge carriers can on average be much less likely to be in the crystal lattice of the first semiconductor system or in the crystal lattice of the second
  • Semiconductor layer system diffuse existing defects or dislocations and thus recombine non-radiating.
  • An alloy of indium gallium arsenide, gallium arsenide, indium gallium arsenide nitride, cadmium selenide, indium gallium phosphide or, for example, can be used as the quantization material Mercury m - Cadmium ⁇ ._ m - selenide, with 0 ⁇ m ⁇ 1.
  • Semiconductor laser element is grown on a substrate made of a first semiconductor material with a first lattice constant, a first semiconductor layer system made of at least a first semiconductor material, which has a second lattice constant that is not equal to the first lattice constant.
  • the growth can be carried out using the known MBE method.
  • a quantization layer made of a quantization material with a third lattice constant is grown on the first semiconductor material.
  • the third lattice constant is greater than the second lattice constant of the first semiconductor material of the first semiconductor layer system.
  • a material can be used as the quantization material for the quantization layer, which has a sufficiently larger lattice constant than the first semiconductor material, so that with a sufficient thickness of the quantization layer, the quantization boxes form from the quantization material in sufficient concentration, i.e. the three-dimensional structures with which free movable electrical charge carriers can be "captured".
  • the quantization material also has a smaller energy band gap than the first semiconductor material.
  • the Stranski-Krastanov growth mode can be used to grow the quantization layer.
  • a second semiconductor layer system with a second semiconductor material is grown on the quantization layer.
  • the second semiconductor layer system can be grown on the quantization layer in a correspondingly inverse manner compared to the first semiconductor layer system and correspondingly reverse doping in the case of doped semiconductor layers of the first semiconductor layer system.
  • Figures 1A to 1F cross sections through a
  • FIG. 1A shows a semiconductor laser element 100 with an n-doped silicon substrate 101 as the substrate layer.
  • a first semiconductor layer is on the substrate layer 101
  • the first semiconductor layer 102 made of n-doped aluminum gallium arsenide has a thickness of approximately 2 ⁇ m.
  • a thickness of approximately 150 nm also has a second layer 103 of gallium arsenide grown on the first semiconductor layer 102 (cf. FIG. IC).
  • the gallium arsenide as the first semiconductor material and the aluminum gallium arsenide each have a lattice constant that is considerably larger than the lattice constant of the silicon substrate 101.
  • a 1 nm to 3 nm thick layer 104 of indium gallium arsenide is grown as a quantization layer 104 on the gallium arsenide layer 103 (cf. FIG. 1D).
  • the 1 nm to 3 nm thick layer 104 is covered with a 1 nm to 5 nm thick layer of the second material and the layer sequence of the layer 104 made of indium gallium arsenide as the quantization layer 104 and the first nm to 5 nm thick layer of the second material to be repeatedly applied to one another, ie for example growing up so that a layer of the entire thickness of preferably approximately 15 nm is formed.
  • a further, third semiconductor layer 105 which is a semiconductor layer of the second semiconductor layer system and is produced from gallium arsenide on the quantization layer 104, is produced on the
  • Quantization layer 104 grew to a thickness of approximately 150 nm (see FIG. 1E).
  • a fourth semiconductor layer 106 made of p-doped aluminum gallium arsenide is grown on the third semiconductor layer 105 with a thickness of approximately 2 ⁇ m (cf. FIG. 1F).
  • the protective and contact layer 107 has a thickness of approximately 0.5 ⁇ m.
  • the individual layers generally have a wider thickness Have a tolerance range in which the thickness can in principle be freely selected.

Abstract

The invention relates to a semiconductor laser element that comprises a first semiconductor layer system (102, 103), produced on a substrate (101) by epitaxial growth, of a first material that has a lattice constant that is different from the lattice constant of the substrate. A quantification layer (104) that has a higher lattice constant than the lattice constant of the first semiconductor is produced on the first semiconductor material by epitaxial growth in such a manner that a quantification effect is produced in the quantification layer (104) that suppresses or strongly inhibits the diffusion of the charged particles. A second semiconductor layer system (105, 106, 107) is produced on the quantification layer by epitaxial growth. Nothing to translate

Description

Besehreibung Besehreibung
Halbleiterlaserelement und Verfahren zur Herstellung eines HalbleiterlaserelementsSemiconductor laser element and method for producing a semiconductor laser element
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterlaserelement und ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements .The invention relates to a semiconductor laser element and a method for producing a semiconductor laser element.
Ein solches Halbleiterlaserelement und ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements sind aus [1] bekannt.Such a semiconductor laser element and a method for producing a semiconductor laser element are known from [1].
Bei einem solchen Halbleiterlaserelement werden üblicherweise Halbleiterschichtensysteme auf einem Substrat aus Gallium- Arsenid als eine typische Materialkombination aufgewachsen.With such a semiconductor laser element, semiconductor layer systems are usually grown on a substrate made of gallium arsenide as a typical combination of materials.
Üblicherweise wird auf einer Substratschicht aus Gallium- Arsenid ein erstes Halbleiterschichtensystem mit einer n- dotierten Schicht aus Aluminium-Gallium-Arsenid und einer weiteren auf dieser Schicht aufgewachsenen Schicht aus Indium- Gallium-Arsenid aufgewachsen.Usually, a first semiconductor layer system with an n-doped layer of aluminum gallium arsenide and further grown on this layer layer of indium gallium arsenide is grown on a substrate layer of gallium arsenide.
Auf der Schicht aus Indium-Gallium-Arsenid wird ein zweites Halbleiterschichtensystem mit einer Schicht aus Gallium- Arsenid und einer darauf aufgewachsenen, p-dotierten Schicht aus Aluminium-Gallium-Arsenid aufgewachsen.A second semiconductor layer system with a layer of gallium arsenide and a p-doped layer of aluminum gallium arsenide grown thereon is grown on the layer of indium gallium arsenide.
Auf dem zweiten Halbleiterschichtensystem wird eine weitere Schicht, üblicherweise eine p-dotierte Schicht aus Gallium- Arsenid aufgewachsen.A further layer, usually a p-doped layer made of gallium arsenide, is grown on the second semiconductor layer system.
Üblicherweise wird zum Aufwachsen der verschiedenen Schichten das sogenannte MBE-Verfahren eingesetzt (MBE : Molecular Bea Epitaxy) oder auch das Verfahren der sogenannten metallorganischen Gasphasen-Epitaxie .The so-called MBE process (MBE: Molecular Bea Epitaxy) or the process of the so-called organometallic gas phase epitaxy is usually used to grow the various layers.
Bei der Molekularstrahlepitaxie erfolgt die Schichtabscheidung durch eine Art kristalline Kondensation von Atomstrahlen oder Molekülstrahlen auf einer Substratoberfläche .In molecular beam epitaxy, the layers are deposited by a kind of crystalline condensation of atomic rays or molecular rays on a substrate surface.
Die Atomstrahlen werden erzeugt, indem hochreine Ausgangsmaterialien, jeweils entsprechend der aufzuwachsenden Schicht, in einer Reinheit von üblicherweise mindestens 99,999% in einer Ofenzelle verdampft werden.The atomic beams are generated by evaporating high-purity starting materials, each corresponding to the layer to be grown, in a purity of usually at least 99.999% in an oven cell.
Über die Temperatur der entsprechenden Ofenzelle kann der Teilchenfluss und damit das Aufwachsen der einzelnen Elemente und somit das Bilden der jeweiligen aufzuwachsenden Schicht, gesteuert werden.The particle flow and thus the growth of the individual elements and thus the formation of the respective layer to be grown can be controlled via the temperature of the corresponding furnace cell.
Durch das Mischen verschiedener Atomstrahlen können stöchiometrische Verbindungshalbleiter erzeugt werden.By mixing different atom beams, stoichiometric compound semiconductors can be produced.
Bekannte Halbleiterlaser bestehen somit aus Verbindungshalbleitern, die üblicherweise eine von der Gitterkonstante von Silizium unterschiedliche Gitterkonstante aufweisen.Known semiconductor lasers thus consist of compound semiconductors which usually have a lattice constant that is different from the lattice constant of silicon.
Die unterschiedlichen Gitterkonstanten führen dazu, dass beim epitaktischen Aufwachsen von HeteroStrukturen aus Verbindungshalbleitern auf einem Silizium-Substrat in den aufgewachsenen HeteroStrukturen Versetzungen ausgebildet werden.The different lattice constants result in dislocations being formed in the grown heterostructures during the epitaxial growth of heterostructures from compound semiconductors on a silicon substrate.
Diese Versetzungen begrenzen in konventionellen, planaren HeteroStrukturen die Lichtausbeutung sowie die Lebensdauer des Halbleiterlasers sehr erheblich.In conventional, planar heterostructures, these dislocations limit the light exploitation and the service life of the semiconductor laser considerably.
Der geringere Wirkungsgrad beziehungsweise die geringere Lebensdauer von Halbleiterlasern aus Verbindungshalbleitern auf einem Substrat aus Silizium ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass freie elektrische Ladungsträger in dem aktiven Bereich des Lasers, in dem die Laserstrahlen gebildet werden, in diesem aktiven Bereich an den oben genannten Versetzungen oder auch anderen kristallinen oder elektrischen Fehlstellen, die im weiteren als Defekte bezeichnet werden, eingefangen werden und dort nichtstrahlend rekombinieren.The lower efficiency or the shorter lifespan of semiconductor lasers made of compound semiconductors on a substrate made of silicon is due in particular to the fact that free electrical charge carriers in the active region of the laser in which the laser beams are formed in this active region at the above-mentioned ones Dislocations or other crystalline or electrical defects, which are referred to below as defects, are captured and recombine there in a non-radiative manner.
Bei einer Rekombination der elektrischen Ladungsträger wird die erzeugte Energie jedoch nicht in Licht, sondern in Wärme umgesetzt. Die entstehende Wärme reduziert somit insbesondere den Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Halbleiterlasers.When the electrical charge carriers are recombined, the energy generated is not converted into light, but into heat. The heat generated thus reduces in particular the efficiency and the service life of the semiconductor laser.
Aus diesem Grunde ist es mit dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik nicht möglich, ein Halbleiterlaserelement auf einem Substrat aus Silizium mit praxistauglichem Wirkungsgrad und einer ausreichenden Lebensdauer herzustellen.For this reason, it is not possible with the method according to the prior art to produce a semiconductor laser element on a silicon substrate with practical efficiency and a sufficient service life.
In [2] ist beschrieben, dass auf einem SiliziummaterialIn [2] it is described that on a silicon material
Quantenpunkte aus einem III/V-Verbindungshalbleitermaterial, insbesondere Indium-Arsenid aufgewachsen werden. Auf den Quantenpunkten ist wiederum Silizium aufgebracht.Quantum dots are grown from a III / V compound semiconductor material, especially indium arsenide. Silicon is in turn applied to the quantum dots.
Eine Übersicht über farbige Halbleiterlaser ist in [3] zu finden.An overview of colored semiconductor lasers can be found in [3].
[4] beschreibt grundlegende Aspekte von selbstordnenden Quantenpunkte .[4] describes fundamental aspects of self-ordering quantum dots.
In [5] sind Halbleiterlaser auf der Basis von Quantenpunkten beschrieben, wobei die Quantentöpfe gebildet werden aus einer Schichtenstruktur aus Aluminium-Gallium-Arsenid, Gallium- Arsenid als Quantenpunktschicht, und wiederum Aluminium- Gallium-Arsenid.Semiconductor lasers based on quantum dots are described in [5], the quantum wells being formed from a layer structure of aluminum gallium arsenide, gallium arsenide as the quantum dot layer, and again aluminum gallium arsenide.
Ein anderes Halbleiterlaserelement ist in [6] beschrieben.Another semiconductor laser element is described in [6].
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde ein Halbleiterlaserelement sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements anzugeben, bei dem es möglich ist, HeteroStrukturen auf einem Substrat aufzuwachsen, wobei die Gitterkonstante der HeteroStruktur und der Substratschicht erheblich voneinander unterschiedlich sind, wodurch die Lebensdauer des hergestellten Halbleiterlaserelements gegenüber dem Stand der Technik verbessert wird.The invention is based on the problem of specifying a semiconductor laser element and a method for producing a semiconductor laser element, in which it is possible to grow heterostructures on a substrate, wherein the lattice constant of the heterostructure and the substrate layer are significantly different from one another, as a result of which the service life of the semiconductor laser element produced is improved compared to the prior art.
Das Problem wird durch das Halbleiterlaserelement und das Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.The problem is solved by the semiconductor laser element and the method for producing a semiconductor laser element with the features according to the independent patent claims.
Ein Halbleiterlaserelement weist ein Substrat aus einem ersten Material mit einer ersten Gitterkonstante auf.A semiconductor laser element has a substrate made of a first material with a first lattice constant.
Das Substrat kann beispielsweise aus Silizium hergestellt sein oder auch aus Germanium, Gallium-Phosphid, Gallium-Arsenid, Saphir oder Silizium-Carbid.The substrate can be made of silicon, for example, or also of germanium, gallium phosphide, gallium arsenide, sapphire or silicon carbide.
Auf dem Substrat ist ein erstes Halbleiterschichtensystem mit mindestens einem ersten Halbleitermaterial aufgewachsen, wobei das erste Halbleitermaterial eine zweite Gitterkonstante aufweist, die ungleich der ersten Gitterkonstante des ersten Materials ist.A first semiconductor layer system with at least one first semiconductor material has been grown on the substrate, the first semiconductor material having a second lattice constant that is not equal to the first lattice constant of the first material.
Ein solches erstes Halbleitermaterial kann beispielsweise bei Silizium als erstes Material Gallium-Arsenid oder eine Legierung aus Aluminium-Gallium-Arsenid sein.In the case of silicon as the first material, such a first semiconductor material can be gallium arsenide or an alloy of aluminum gallium arsenide.
Als erstes Halbleitermaterial kann ferner Aluminium-Gallium- Phosphid eingesetzt werden.Aluminum-gallium phosphide can also be used as the first semiconductor material.
Wird als erstes Material Saphir oder Silizium-Carbid verwendet, so kann das erste Halbleitermaterial eine Legierung aus Aluminiumx-Galliumι_x-Nitrid, mit 0 < x < 1 sein.If sapphire or silicon carbide is used as the first material, the first semiconductor material can be an alloy of aluminum x gallium x nitride, with 0 <x <1.
Das erste Halbleitermaterial kann ferner ein Material der allgemeinen Legierung Zinn-Selen/Cadmium-Magnesium-Zink-The first semiconductor material can also be a material of the general alloy tin-selenium / cadmium-magnesium-zinc-
Selenid-Sulfid-Telenid sein, das auf Silizium, Germanium oder Gallium-Phosphid oder auch Gallium-Arsenid als erstes Material des Substrats aufgewachsen wird.Selenide-sulfide-telenide based on silicon, germanium or Gallium phosphide or gallium arsenide is grown as the first material of the substrate.
Aus dem oben dargestellten Materialkombinationen ist ersichtlich, dass das erste Halbleitermaterial eine erheblich unterschiedliche Gitterkonstante aufweist verglichen mit der Gitterkonstante des ersten Materials des Substrats.It can be seen from the material combinations shown above that the first semiconductor material has a significantly different lattice constant compared to the lattice constant of the first material of the substrate.
Das erste Halbleiterschichtensystem kann mehrere Halbleiterschichten aufweisen, so kann beispielsweise auf dem ersten Material Silizium, Germanium oder Gallium-Phosphid als Substratmaterial eine Schichtenfolge von auf dem Substrat aufgewachsenen Indium-Phosphid und einer darauf aufgewachsenen Halbleiterschicht aus der Legierung der allgemeinen Materialmatrix Indium-y-Galliumι_y-Arsenidz-Phosphidι_z, mit 0 < y < 1 und 0 < z < 1, aufgewachsen sein.The first semiconductor layer system can have a plurality of semiconductor layers, for example on the first material silicon, germanium or gallium phosphide as substrate material, a layer sequence of indium phosphide grown on the substrate and a semiconductor layer grown thereon from the alloy of the general material matrix indium-y-galliumι_y -Arsenide z -Phosphidι_ z , with 0 <y <1 and 0 <z <1, have grown up.
Ferner kann auf dem Substrat der Materialien Silizium, Germanium oder Gallium-Phosphid oder Gallium-Arsenid das Schichtensystem mit der unmittelbar auf dem Substrat aufgewachsenen Schicht Indium- hosphid, einer darauf aufgewachsenen Schicht aus Indium-Gallium-Arsenid und einer darauf aufgewachsenen Schicht aus Indium-Aluminium-Arsenid aufgewachsen sein.Furthermore, on the substrate of the materials silicon, germanium or gallium phosphide or gallium arsenide, the layer system with the layer of indium phosphide grown directly on the substrate, a layer of indium gallium arsenide grown thereon and a layer of indium Aluminum arsenide.
Auf den Substraten aus Saphir oder Silizium-Carbid kann ein erstes Halbleiterschichtensystem aus einer auf dem Substrat aufgewachsenen Schicht aus Aluminium-Gallium-Nitrid, einer darauf aufgewachsenen Halbleiterschicht aus Gallium-Nitrid und einer auf der Gallium-Nitrid-Schicht aufgewachsenen SchichtA first semiconductor layer system comprising a layer of aluminum gallium nitride grown on the substrate, a semiconductor layer made of gallium nitride grown thereon and a layer grown on the gallium nitride layer can be formed on the substrates made of sapphire or silicon carbide
Indium-Gallium-Nitrid aufgewachsen sein.Indium gallium nitride.
Auf einem ersten Material Silizium, Indium, Germanium, Gallium-Phosphid oder Gallium-Arsenid als Substratmaterial kann beispielsweise als erstes Halbleitermaterial eine Legierung der allgemeinen Materialmatrix aus Cadmium- Magnesium-Zink-Selenid-Sulfid-Telenid und einer auf dieser Schicht aufgewachsenen Schicht aus Zink-Selenid aufgewachsen sein.On a first material silicon, indium, germanium, gallium phosphide or gallium arsenide as substrate material, for example, an alloy of the general material matrix of cadmium-magnesium-zinc-selenide-sulfide-telenide and one on top of it can be used as the first semiconductor material Layer grown layer of zinc selenide.
Auf dem ersten Halbleiterschichtensystem ist erfindungsgemäß eine QuantisierungsSchicht aus einem Quantisierungsmaterial aufgewachsen, wobei das Quantisierungsmaterial eine dritte Gitterkonstante aufweist, die größer ist als die zweite Gitterkonstante des ersten Halbleitermaterials in dem ersten Halbleiterschichtensystem.According to the invention, a quantization layer made of a quantization material has grown on the first semiconductor layer system, the quantization material having a third lattice constant that is greater than the second lattice constant of the first semiconductor material in the first semiconductor layer system.
Die QuantisierungsSchicht ist derart eingerichtet, beispielsweise aufgrund der Materialeigenschaften des Quantisierungsmaterials und/ oder aufgrund der Dicke der Quantisierungsschicht, dass sich in der Quantisierungsschicht ein Quantisierungseffekt ausbildet, wodurch die elektrischen Ladungsträger an der Diffusion zu Defekten in dem ersten Halbleiterschichtensystem und/oder in dem zweiten Halbleiterschichtensystem zumindest teilweise gehindert werden.The quantization layer is set up in such a way, for example on the basis of the material properties of the quantization material and / or on the basis of the thickness of the quantization layer, that a quantization effect is formed in the quantization layer, as a result of which the electrical charge carriers diffuse to defects in the first semiconductor layer system and / or in the second semiconductor layer system be at least partially prevented.
Im Rahmen dieser Beschreibung wird durch die Quantisierungsschicht eine Schicht bezeichnet, in der sich eine oder mehrere Lagen von sogenannten Quantenboxen ausbilden, das heißt von dreidimensionalen Strukturen, die anschaulich hinsichtlich elektrischer Ladungsträger als dreidimensionaler Potentialtopf dienen, dass heißt die die Bewegung elektrischer Ladungsträger in jede räumliche Richtung behindern oder zumindest hemmen.In the context of this description, the quantization layer denotes a layer in which one or more layers of so-called quantum boxes are formed, that is to say of three-dimensional structures that clearly serve as a three-dimensional potential well with regard to electrical charge carriers, that is to say the movement of electrical charge carriers into every spatial one Impede or at least inhibit direction.
Die Ausbreitung der Ladungsträger wird also dadurch erreicht, dass die Quantisierungsschicht auf dem erstenThe spreading of the charge carriers is thus achieved in that the quantization layer on the first
Halbleitermaterial aufgewachsen wird, bis eine Dicke erreicht ist, bei der sich zum Abbau der aufgrund der größeren Gitterkonstante erzeugten mechanischen Verspannungen in dem Kristallgitter dreidimensionale Strukturen ausbilden, die die Quantenboxen darstellen. Diese haben eine üblicherweise 20 nm breite Grundfläche und sind ca. 5 nm hoch und führen daher zu Quantisierungseffekten, die die elektrischen Ladungsträger an deren Ausbreitung im dreidimensionalen Raum hindern.Semiconductor material is grown until a thickness is reached at which three-dimensional structures, which represent the quantum boxes, form in the crystal lattice in order to reduce the mechanical stresses generated due to the larger lattice constant. These have a base area which is usually 20 nm wide and are approximately 5 nm high and therefore lead to quantization effects which prevent the electrical charge carriers from spreading in three-dimensional space.
Anschaulich werden somit durch die Quantenboxen die Elektronen und Löcher sehr effizient "eingefangen" aufgrund der bezüglich der Umgebung der Quantenboxen kleineren energetischen Bandlücke .The electrons and holes are thus very efficiently "captured" by the quantum boxes due to the smaller energy band gap with respect to the surroundings of the quantum boxes.
Das bedeutet, dass die laterale Diffusion der elektrischen Ladungsträger in der aktiven Zone des Halbleiterelements erheblich vermindert wird, da sich beispielsweise die mittlere Diffusionslänge der elektrischen Ladungsträger um bis zu mehr als einen Faktor 10 verringert.This means that the lateral diffusion of the electrical charge carriers in the active zone of the semiconductor element is considerably reduced since, for example, the mean diffusion length of the electrical charge carriers is reduced by up to a factor of 10.
Auf diese Weise können die elektrischen Ladungsträger im Durchschnitt mit wesentlich geringerer Wahrscheinlichkeit an dem in dem Kristallgitter des ersten Halbleitersystems oder in dem in dem Kristallgitter des zweitenIn this way, the electrical charge carriers can on average be much less likely to be in the crystal lattice of the first semiconductor system or in the crystal lattice of the second
Halbleiterschichtensystem vorhandenen Defekten oder Versetzungen diffundieren und somit nichtstrahlend rekombinieren .Semiconductor layer system diffuse existing defects or dislocations and thus recombine non-radiating.
Da die durch nichtstrahlende Rekombination lokal anBecause of the non-radiative recombination locally
Versetzungen etc . erzeugte Wärme stark überlinear mit der Anzahl der an dieser Stelle rekombinierenden elektrischer Ladungsträgern zunimmt, da es aufgrund von lokaler Erwärmung zu einer Verkleinerung der Bandlücke kommt, was erhöhte optische Absorption nach sich zieht, ist dieser Mechanismus der lokalen Erwärmung selbstverstärkend, was bis zur thermischen Zerstörung des Halbleiterlaserelements führen kann. Dies wird durch die Erfindung sehr effizient verhindert.Transfers etc. generated heat increases strongly linearly with the number of electric charge carriers recombining at this point, since there is a narrowing of the band gap due to local heating, which results in increased optical absorption, this mechanism of local heating is self-reinforcing, leading to thermal destruction of the semiconductor laser element can result. This is prevented very efficiently by the invention.
Als Quantisierungsmaterial kann beispielsweise eine Legierung aus Indium-Gallium-Arsenid, Gallium-Arsenid, Indium-Gallium- Arsenid-Nitrid, Cadmium-Selenid, Indium-Gallium-Phosphid, oder Quecksilberm-Cadmiumι._m-Selenid, mit 0 < m < 1 sein.An alloy of indium gallium arsenide, gallium arsenide, indium gallium arsenide nitride, cadmium selenide, indium gallium phosphide or, for example, can be used as the quantization material Mercury m - Cadmiumι._ m - selenide, with 0 <m <1.
Bei einem Verfahren zum Herstellen einesIn a method of making a
Halbleiterlaserelements wird auf einem Substrat aus einem ersten Halbleitermaterial mit einer ersten Gitterkonstante ein erstes Halbleiterschichtensystem aus zumindest einem ersten Halbleitermaterial, das eine zweite Gitterkonstante aufweist, die ungleich der ersten Gitterkonstante ist, aufgewachsen. Das Aufwachsen kann mittels des bekannten MBE-Verfahrens durchgeführt werden.Semiconductor laser element is grown on a substrate made of a first semiconductor material with a first lattice constant, a first semiconductor layer system made of at least a first semiconductor material, which has a second lattice constant that is not equal to the first lattice constant. The growth can be carried out using the known MBE method.
Auf dem ersten Halbleitermaterial wird eine Quantisierungsschicht aus einem Quantisierungsmaterial mit einer dritten Gitterkonstante aufgewachsen. Die dritte Gitterkonstante ist größer als die zweite Gitterkonstante des ersten Halbleitermaterials des ersten Halbleiterschichtensystems .A quantization layer made of a quantization material with a third lattice constant is grown on the first semiconductor material. The third lattice constant is greater than the second lattice constant of the first semiconductor material of the first semiconductor layer system.
Allgemein kann als Quantisierungsmaterial für die Quantisierungsschicht ein Material verwendet werden, das eine ausreichend größere Gitterkonstante als das erste Halbleitermaterial aufweist, so dass sich bei ausreichender Dicke der QuantisierungsSchicht aus dem Quantisierungsmaterial in ausreichender Konzentration die Quantenboxen ausbilden, das heißt die dreidimensionalen Strukturen, mit denen frei bewegliche elektrische Ladungsträger "eingefangen" werden können.In general, a material can be used as the quantization material for the quantization layer, which has a sufficiently larger lattice constant than the first semiconductor material, so that with a sufficient thickness of the quantization layer, the quantization boxes form from the quantization material in sufficient concentration, i.e. the three-dimensional structures with which free movable electrical charge carriers can be "captured".
Es ist darauf zu achten, dass das Quantisierungsmaterial ferner eine geringere energetische Bandlücke aufweist, als das erste Halbleitermaterial.It is important to ensure that the quantization material also has a smaller energy band gap than the first semiconductor material.
Dies ist jedoch üblicherweise aufgrund der größeren Gitterkonstante des Quantisierungsmaterials gegenüber der zweiten Gitterkonstante des ersten Halbleitermaterials ohnehin gewährleistet . Zum Aufwachsen der Quantisierungsschicht kann der Stranski- Krastanov-Wachstumsmodus ausgenutzt werden.However, this is usually ensured anyway due to the larger lattice constant of the quantization material compared to the second lattice constant of the first semiconductor material. The Stranski-Krastanov growth mode can be used to grow the quantization layer.
Auf der Quantisierungsschicht wird ein zweites Halbleiterschichtensystem mit einem zweiten Halbleitermaterial aufgewachsen. Das zweite Halbleiterschichtensystem kann in entsprechend inverser gegenüber dem ersten Halbleiterschichtensystem und entsprechend umgekehrter Dotierung bei dotiertem Halbleiterschichten des ersten Halbleiterschichtensystems auf der QuantisierungsSchicht aufgewachsen werden.A second semiconductor layer system with a second semiconductor material is grown on the quantization layer. The second semiconductor layer system can be grown on the quantization layer in a correspondingly inverse manner compared to the first semiconductor layer system and correspondingly reverse doping in the case of doped semiconductor layers of the first semiconductor layer system.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zu den Figuren dargestellt und wird im weiteren näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in the figures and will be explained in more detail below.
Es zeigenShow it
Figuren 1A bis 1F Querschnitte durch einFigures 1A to 1F cross sections through a
Halbleiterlaserelement zu verschiedenen Herstellungszuständen während dessen Herstellung.Semiconductor laser element in various manufacturing states during its manufacture.
Fig.lA zeigt ein Halbleiterlaserelement 100 mit einem n- dotierten Silizium-Substrat 101 als Substratschicht.FIG. 1A shows a semiconductor laser element 100 with an n-doped silicon substrate 101 as the substrate layer.
Auf der Substratschicht 101 ist eine erste HalbleiterschichtA first semiconductor layer is on the substrate layer 101
102 aus n-dotiertem Aluminium-Gallium-Arsenid mittels des MBE- Verfahrens aufgewachsen (vgl. Fig.lB).102 grown from n-doped aluminum gallium arsenide by means of the MBE method (see FIG. IB).
Die erste Halbleiterschicht 102 aus n-dotiertem Aluminium- Gallium-Arsenid weist eine Dicke von ungefähr 2 μm auf.The first semiconductor layer 102 made of n-doped aluminum gallium arsenide has a thickness of approximately 2 μm.
Eine Dicke von ungefähr 150 nm weist ferner eine auf der ersten Halbleiterschicht 102 aufgewachsene zweite Schicht 103 aus Gallium-Arsenid auf (vgl. Fig. IC). Das Gallium-Arsenid als erstes Halbleitermaterial und das Aluminium-Gallium-Arsenid weisen jeweils eine Gitterkonstante auf, die erheblich größer ist als die Gitterkonstante des Silizium-Substrats 101. Auf der Gallium-Arsenid-Schicht 103 wird anschließend unter Ausnutzung des Stranski-Krastanov-Wachstu smodus eine 1 nm bis 3 nm dicke Schicht 104 aus Indium-Gallium-Arsenid als Quantisierungsschicht 104 aufgewachsen (vgl. Fig.lD).A thickness of approximately 150 nm also has a second layer 103 of gallium arsenide grown on the first semiconductor layer 102 (cf. FIG. IC). The gallium arsenide as the first semiconductor material and the aluminum gallium arsenide each have a lattice constant that is considerably larger than the lattice constant of the silicon substrate 101. Then, using the Stranski-Krastanov growth mode, a 1 nm to 3 nm thick layer 104 of indium gallium arsenide is grown as a quantization layer 104 on the gallium arsenide layer 103 (cf. FIG. 1D).
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist es vorgesehen, die 1 nm bis 3 nm dicke Schicht 104 mit einer 1 nm bis 5 nm dicken Schicht des zweiten Materials zu bedecken und die Schichtenfolge aus der Schicht 104 aus Indium-Gallium-Arsenid als Quantisierungsschicht 104 und der 1 nm bis 5 nm dicken Schicht des zweiten Materials wiederholt aufeinander aufzutragen, d.h. beispielsweise aufzuwachsen, so dass eine Schicht der gesamten Dicke von vorzugsweise ungefähr 15 nm gebildet wird.According to an alternative embodiment, the 1 nm to 3 nm thick layer 104 is covered with a 1 nm to 5 nm thick layer of the second material and the layer sequence of the layer 104 made of indium gallium arsenide as the quantization layer 104 and the first nm to 5 nm thick layer of the second material to be repeatedly applied to one another, ie for example growing up so that a layer of the entire thickness of preferably approximately 15 nm is formed.
Auf der Quantisierungsschicht 104 wird eine weitere, dritte Halbleiterschicht 105, die eine Halbleiterschicht des zweiten Halbleiterschichtensystems ist und aus Gallium-Arsenid hergestellt wird mittels des MBE-Verfahrens auf derA further, third semiconductor layer 105, which is a semiconductor layer of the second semiconductor layer system and is produced from gallium arsenide on the quantization layer 104, is produced on the
Quantisierungsschicht 104 mit einer Dicke von ungefähr 150 nm aufgewachsen (vgl. Fig.lE).Quantization layer 104 grew to a thickness of approximately 150 nm (see FIG. 1E).
Auf der dritten Halbleiterschicht 105 wird eine vierte Halbleiterschicht 106 aus p-dotiertem Aluminium-Gallium- Arsenid mit einer Dicke von ungefähr 2 μm aufgewachsen (vgl . Fig.lF) .A fourth semiconductor layer 106 made of p-doped aluminum gallium arsenide is grown on the third semiconductor layer 105 with a thickness of approximately 2 μm (cf. FIG. 1F).
Abschließend wird eine Schutz- und Kontaktschicht 107 aus p- dotiertem Gallium-Arsenid auf der vierten HalbleiterschichtFinally, a protective and contact layer 107 made of p-doped gallium arsenide on the fourth semiconductor layer
106 des zweiten Halbleiterschichtensystems aufgewachsen. Die Schutz- und Kontaktschicht 107 weist eine Dicke von ungefähr 0.5 um auf .106 of the second semiconductor layer system. The protective and contact layer 107 has a thickness of approximately 0.5 µm.
Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass die einzelnen Schichten in ihrer Dicke grundsätzlich einen weiten Toleranzbereich aufweisen, in dem die Dicke grundsätzlich frei wählbar ist . In this context, it should be noted that the individual layers generally have a wider thickness Have a tolerance range in which the thickness can in principle be freely selected.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
100 Halbleiterlaserelement100 semiconductor laser element
101 Silizium-Substrat101 silicon substrate
102 Erste Halbleiterschicht102 First semiconductor layer
103 Zweite Halbleiterschicht103 Second semiconductor layer
104 Quantisierungsschicht104 quantization layer
105 Dritte Halbleiterschicht105 Third semiconductor layer
106 Vierte Halbleiterschicht106 fourth semiconductor layer
107 Schutzschicht 107 protective layer
In diesen Dokument ist folgende Veröffentlichung zitiert:The following publication is cited in this document:
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[6] US 5 898 662 [6] US 5,898,662

Claims

Patentansprüche claims
1. Halbleiterlaserelement mit β einem Substrat aus einem ersten Material mit einer ersten Gitterkonstante,1. semiconductor laser element with β a substrate made of a first material with a first lattice constant,
• einem auf dem Substrat aufgewachsenen ersten Halbleiterschichtensystem mit mindestens einem ersten Halbleitermaterial, wobei die Gitterkonstante des ersten Halbleitermaterials ungleich der ersten Gitterkonstante ist,A first semiconductor layer system grown on the substrate with at least one first semiconductor material, the lattice constant of the first semiconductor material being not equal to the first lattice constant,
• einer auf dem ersten Halbleitermaterial aufgewachsenen Quantisierungsschicht aus einem Quantisierungsmaterial mit einer Gitterkonstante, die größer ist als die Gitterkonstante des ersten Halbleitermaterials, • einem auf der Quantisierungsschicht aufgewachsenen zweiten Halbleiterschichtensystem mit einem zweiten Halbleitermaterial , β wobei die Quantisierungsschicht derart eingerichtet ist, dass sich in der Quantisierungsschicht ein Quantisierungseffekt ausbildet, wodurch elektrische• a quantization layer grown on the first semiconductor material made of a quantization material with a lattice constant that is greater than the lattice constant of the first semiconductor material, • a second semiconductor layer system grown on the quantization layer with a second semiconductor material, β, the quantization layer being set up in such a way that Quantization layer forms a quantization effect, making electrical
Ladungsträger an der Diffusion zu Defekten in dem ersten Halbleiterschichtensystem und/oder in dem zweiten Halbleiterschichtensystem zumindest teilweise gehindert werden .Charge carriers are at least partially prevented from diffusing to defects in the first semiconductor layer system and / or in the second semiconductor layer system.
2. Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1, bei dem das erste Halbleiterschichtensystem und/oder das zweite Halbleiterschichtensystem mehrere Halbleiterschichten aufweist bzw. aufweisen.2. The semiconductor laser element according to claim 1, wherein the first semiconductor layer system and / or the second semiconductor layer system has or have a plurality of semiconductor layers.
3. Halbleiterlaserelement nach Anspruch 2, bei dem das erste Halbleiterschichtensystem eine erste Halbleiterschicht und eine zweite Halbleiterschicht aufweist, β wobei die erste Halbleiterschicht auf dem Substrat aufgewachsen ist, und • wobei die zweite Halbleiterschicht, die aus dem ersten Halbleitermaterial gebildet ist, auf der ersten Halbleiterschicht aufgewachsen ist.3. The semiconductor laser element according to claim 2, wherein the first semiconductor layer system has a first semiconductor layer and a second semiconductor layer, wherein the first semiconductor layer is grown on the substrate, and Wherein the second semiconductor layer, which is formed from the first semiconductor material, has grown on the first semiconductor layer.
4. Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Substrat zumindest eines der folgenden Materialien aufweist: ® Silizium, ® Germanium, • Gallium-Phosphid,4. Semiconductor laser element according to one of claims 1 to 3, wherein the substrate comprises at least one of the following materials: ® silicon, ® germanium, • gallium phosphide,
• Gallium-Arsenid,Gallium arsenide,
• Saphir,• sapphire,
® Silizium-Carbid, oder® silicon carbide, or
• eine Legierung aus mindestens zwei der vorgenannten Materialien.An alloy of at least two of the aforementioned materials.
5. Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das erste Halbleitermaterial zumindest eines der folgenden Materialien aufweist: ® Indium-Gallium-Aluminium-Arsenid,5. Semiconductor laser element according to one of claims 1 to 4, in which the first semiconductor material comprises at least one of the following materials: ® indium gallium aluminum arsenide,
® Gallium-Arsenid,® gallium arsenide,
• Indium-Gallium-Aluminium-Arsenid-Phosphid, β Indium-Phosphid,Indium gallium aluminum arsenide phosphide, β indium phosphide,
• Aluminiumx-GalliuπvL_x-Nitrid, mit 0 < x < 1, o eine Legierung aus zumindest zwei der folgenden Materialien:• aluminum x -GalliuπvL_ x nitride, with 0 <x <1, o an alloy of at least two of the following materials:
Cadmium, Magnesium, Zink, Selen, Schwefel, Tellur, Beryllium, Quecksilber,Cadmium, magnesium, zinc, selenium, sulfur, tellurium, beryllium, mercury,
6. Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das erste Quantisierungsmaterial zumindest eines der folgenden Materialien aufweist: β Indium-y-Galliumι_y-Arsenidz-Phosphidι_z, mit 0 < y < 1 und 0 < z < 1, • Gallium-Antimonid, β Quecksilberm-Cadmiumι_m-Selenid, mit 0 < m ≤ 1. 6. Semiconductor laser element according to one of claims 1 to 5, in which the first quantization material comprises at least one of the following materials: β indium-y-galliumι_y-arsenide z -phosphideι_ z , with 0 <y <1 and 0 <z <1, • Gallium antimonide, β mercury m cadmium m selenide, with 0 <m ≤ 1.
7. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements,7. A method of manufacturing a semiconductor laser element,
• bei dem auf einem Substrat aus einem ersten Material mit einer ersten Gitterkonstante ein erstes Halbleiterschichtensystem mit mindestens einem ersten Halbleitermaterial, das eine Gitterkonstante aufweist, die ungleich der ersten Gitterkonstante ist, aufgewachsen wird, β bei dem auf dem ersten Halbleiterschichtensystem eineIn which a first semiconductor layer system with at least one first semiconductor material that has a lattice constant that is not equal to the first lattice constant is grown on a substrate made of a first material with a first lattice constant, β in which one on the first semiconductor layer system
Quantisierungsschicht aus einem Quantisierungsmaterial, das eine Gitterkonstante aufweist, die größer ist als die Gitterkonstante des ersten Halbleitermaterials, aufgewachsen wird,Quantization layer made of a quantization material that has a lattice constant that is greater than the lattice constant of the first semiconductor material,
• bei dem auf der Quantisierungsschicht ein zweites Halbleiterschichtensystem mit einem zweiten Halbleitermaterial aufgewachsen wird,In which a second semiconductor layer system with a second semiconductor material is grown on the quantization layer,
• wobei die Quantisierungsschicht derart eingerichtet ist, dass sich in der Quantisierungsschicht ein Quantisierungseffekt ausbildet, wodurch elektrische Ladungsträger an der Diffusion zu Defekten in dem ersten Halbleiterschichtensystem zumindest teilweise gehindert werden, .Wherein the quantization layer is set up in such a way that a quantization effect forms in the quantization layer, as a result of which electrical charge carriers are at least partially prevented from diffusing into defects in the first semiconductor layer system.
8. Verfahren nach Anspruch 7 , bei dem die Quantisierungsschicht unter Ausnutzung des Stranski-Krastanov-Wachstumsmodus aufgewachsen wird. 8. The method of claim 7, wherein the quantization layer is grown using the Stranski-Krastanov growth mode.
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