DE10058444A1 - Semiconductor laser element and method for producing a semiconductor laser element - Google Patents

Semiconductor laser element and method for producing a semiconductor laser element

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Abstract

The invention relates to a semiconductor laser element that comprises a first semiconductor layer system, produced on a substrate 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 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 that suppresses or strongly inhibits the diffusion of the charged particles. A second semiconductor layer system is produced on the quantification layer by epitaxial growth.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterlaserelement und ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements.The invention relates to a semiconductor laser element and a Method of manufacturing 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 Manufacture of 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.In such a semiconductor laser element are usually Semiconductor layer systems on a substrate made of gallium Arsenic grew up 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 substrate layer made of gallium Arsenide a first semiconductor layer system with an n doped layer of aluminum gallium arsenide and one another layer of indium Gallium arsenide grew up.

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 layer is formed on the indium gallium arsenide layer Semiconductor layer system with a layer of gallium Arsenide and a p-doped layer grown on it grown out of aluminum gallium arsenide.

Auf dem zweiten Halbleiterschichtensystem wird eine weitere Schicht, üblicherweise eine p-dotierte Schicht aus Gallium- Arsenid aufgewachsen.Another is on the second semiconductor layer system Layer, usually a p-doped layer of gallium Arsenide grew up.

Üblicherweise wird zum Aufwachsen der verschiedenen Schichten das sogenannte MBE-Verfahren eingesetzt (MBE. Molecular Beam Epitaxy) oder auch das Verfahren der sogenannten metallorganischen Gasphasen-Epitaxie.Usually the different layers are grown the so-called MBE method (MBE. Molecular Beam Epitaxy) or the process of the so-called organometallic gas phase epitaxy.

Bei der Molekularstrahlepitaxie erfolgt die Schichtabscheidung durch eine Art kristalline Kondensation von Atomstrahlen oder Molekülstrahlen auf einer Substratoberfläche.In molecular beam epitaxy, this takes place Layer deposition through a kind of crystalline condensation  of atomic rays or molecular rays on one 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 rays are generated by high purity Starting materials, each in accordance with the growing up Layer, in a purity of usually at least 99.999% can be evaporated 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.About the temperature of the corresponding furnace cell, the Particle flow and thus the growth of the individual elements and thus the formation of the respective layer to be grown to be controlled.

Durch das Mischen verschiedener Atomstrahlen können stöchiometrische Verbindungshalbleiter erzeugt werden.By mixing different atomic beams you can stoichiometric compound semiconductors are generated.

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 are usually one of the Lattice constant of silicon different lattice constant exhibit.

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 mean that the epitaxial growth from heterostructures Compound semiconductors on a silicon substrate in the grown heterostructures dislocations become.

Diese Versetzungen begrenzen in konventionellen, planaren Heterostrukturen die Lichtausbeutung sowie die Lebensdauer des Halbleiterlasers sehr erheblich.These dislocations limit in conventional, planar Heterostructures the exploitation of light and the lifespan of the Semiconductor laser very significantly.

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 lower Lifetime of semiconductor lasers from compound semiconductors on a silicon substrate is especially on it attributed to free electrical charge carriers in the active area of the laser in which the laser beams are formed in this active area at the above  Dislocations or other crystalline or electrical Defects, which are referred to as defects below be captured and recombine there without radiation.

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 however, the energy generated is not in light, but in heat implemented. The resulting heat is particularly reduced the efficiency and lifetime 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 with the method according to the state of the Technology not possible to put a semiconductor laser element on a Silicon substrate with practical efficiency and a sufficient lifespan.

Somit liegt der Erfindung 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 therefore based on the problem Semiconductor laser element and a method for manufacturing specify a semiconductor laser element in which it is possible is to grow heterostructures on a substrate, whereby the lattice constant of the heterostructure and the substrate layer are significantly different from each other, making the Lifespan 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 caused by the semiconductor laser element and the Method for producing a semiconductor laser element with the Features solved according to the independent claims.

Ein Halbleiterlaserelement weist vorzugsweise ein Substrat aus einem ersten Material mit einer ersten Gitterkonstante auf.A semiconductor laser element preferably has a substrate 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 from 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 is also on the substrate grown at least a first semiconductor material, wherein the first semiconductor material has a second lattice constant  which is not equal to the first lattice constant of the first Material is.

Ein solches erstes Halbleitermaterial kann beispielsweise bei Silizium als erstes Material Gallium-Arsenid oder eine Legierung aus Aluminium-Gallium-Arsenid sein.Such a first semiconductor material can be used, for example Silicon as the first material, gallium arsenide or one Alloy of aluminum gallium arsenide.

Als erstes Halbleitermaterial kann ferner Aluminium-Gallium- Phosphid eingesetzt werden.Aluminum-gallium can also be used as the first semiconductor material. Phosphide can be used.

Wird als erstes Material Saphir oder Silizium-Carbid verwendet, so kann das erste Halbleitermaterial eine Legierung aus Aluminiumx-Gallium1-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 1-x nitride, with 0 ≦ x ≦ 1.

Das erste Halbleitermaterial kann ferner ein Material der allgemeinen Legierung Zinn-Selen/Cadmium-Magnesium-Zink- Selenid-Sulfid-Telenid sein, das auf Silizium, Germanium oder Gallium-Phosphid oder auch Gallium-Arsenid als erstes Material des Substrats aufgewachsen wird.The first semiconductor material can also be a material of general alloy tin-selenium / cadmium-magnesium-zinc Selenide-sulfide-telenide based on silicon, germanium or Gallium phosphide or gallium arsenide as the first material of the substrate is grown.

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.From the material combinations shown above is can be seen that the first semiconductor material is a significant has different lattice constant compared to that 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 Indiumy-Gallium1-y-Arsenidz-Phosphid1-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 gallium 1 -y -Arsenide z -phosphide 1-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-Phosphid, einer darauf aufgewachsenen Schicht aus Indium-Gallium-Arsenid und einer darauf aufgewachsenen Schicht aus Indium-Aluminium-Arsenid aufgewachsen sein.Furthermore, silicon, Germanium or gallium phosphide or gallium arsenide Layer system with that directly on the substrate  grown layer of indium phosphide, one on top of it grown layer of indium gallium arsenide and one layer of indium aluminum arsenide grown thereon grew up.

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 Schicht Indium-Gallium-Nitrid aufgewachsen sein.On the substrates made of sapphire or silicon carbide first semiconductor layer system from one on the substrate grown layer of aluminum gallium nitride, one semiconductor layer made of gallium nitride and grown thereon a layer grown on the gallium nitride layer 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 can, for example, be a first semiconductor material Alloy of the general material matrix made of cadmium Magnesium-zinc-selenide-sulfide-telenide and one on top of it Layer grown layer of zinc selenide grown his.

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.On the first semiconductor layer system is according to the invention a quantization layer made of a quantization material grew up, the quantization material a third Has 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, due to the material properties of the Quantization material and / or due to the thickness of the Quantization layer that is in the quantization layer forms a quantization effect, whereby the electrical Charge carriers at the diffusion to defects in the first Semiconductor layer system and / or in the second Semiconductor layer system at least partially hindered become.  

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.Within the scope of this description, the Quantization layer denotes a layer in which one or more layers of so-called quantum boxes educate, that is, of three-dimensional structures that vividly with regard to electrical charge carriers as serve three-dimensional potential well, that is the die Movement of electrical charge carriers in every spatial direction hinder or at least inhibit.

Die Ausbreitung der Ladungsträger wird also dadurch erreicht, dass die Quantisierungsschicht auf dem ersten 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.The spreading of the charge carriers is thus achieved that the quantization layer on the first Semiconductor material is grown until a thickness is reached is where the breakdown is due to the larger Lattice constant generated mechanical tension in the Form crystal lattice three-dimensional structures that the Represent quantum boxes.

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.These have a base area which is usually 20 nm wide and are approx. 5 nm high and therefore lead to quantization effects, which the electrical charge carriers at their spread in prevent 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 are thus made clear by the quantum boxes and holes "captured" very efficiently due to the the environment of the quantum boxes smaller energetic Bandgap.

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 significantly reduced because, for example, the middle Diffusion length of the electrical charge carriers by up to more reduced as 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 zweiten Halbleiterschichtensystem vorhandenen Defekten oder Versetzungen diffundieren und somit nichtstrahlend rekombinieren.In this way, the electrical charge carriers in the Average with a significantly lower probability that in the crystal lattice of the first semiconductor system or in that in the crystal lattice of the second  Semiconductor layer system existing defects or Dislocations diffuse and are therefore non-radiating recombine.

Da die durch nichtstrahlende Rekombination lokal an 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.Because of the non-radiative recombination locally Dislocations, etc. generated heat strongly linear with the Number of electrical recombining at this point Charge carriers increase as it is due to local warming the band gap is narrowed, which increases This mechanism entails optical absorption local warming self-reinforcing what up to lead to thermal destruction of the semiconductor laser element can. 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-Cadmium1-m-Selenid, mit 0 ≦ m ≦ 1 sein.For example, an alloy of indium-gallium-arsenide, gallium-arsenide, indium-gallium-arsenide-nitride, cadmium-selenide, indium-gallium-phosphide, or mercury m -cadmium 1-m- selenide with 0 beispielsweise can be used as the quantization material m ≦ 1.

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines 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.In a method of making a Semiconductor laser element is made from a substrate a first semiconductor material with a first lattice constant first semiconductor layer system from at least a first Semiconductor material that has a second lattice constant, which is not equal to the first lattice constant. The Can grow up using the known MBE process be performed.

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.On the first semiconductor material, a Quantization layer made of a quantization material with grew a third lattice constant. The third Lattice constant is larger than the second lattice constant of first semiconductor material of the first Semiconductor layers 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.Generally can be used as a quantization material for the Quantization layer a material can be used that a  sufficiently large lattice constant than the first Has semiconductor material, so that when sufficient Thickness of the quantization layer made of the quantization material form the quantum boxes in sufficient concentration, that is called the three-dimensional structures with which free Movable electrical charge carriers are "captured" can.

Es ist darauf zu achten, dass das Quantisierungsmaterial ferner eine geringere energetische Bandlücke aufweist, als das erste Halbleitermaterial.Care should be taken that the quantization material also has a smaller energy band gap than that first semiconductor material.

Dies ist jedoch üblicherweise aufgrund der größeren Gitterkonstante des Quantisierungsmaterials gegenüber der zweiten Gitterkonstante des ersten Halbleitermaterials ohnehin gewährleistet.However, this is usually due to the larger ones Lattice constant of the quantization material compared to the second lattice constant of the first semiconductor material anyway guaranteed.

Zum Aufwachsen der Quantisierungsschicht kann der Stranski- Krastanov-Wachstumsmodus ausgenutzt werden.To grow the quantization layer, the Stranski- Krastanov growth mode can be exploited.

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 is on the quantization layer Semiconductor layer system with a second semiconductor material grew up. The second semiconductor layer system can be in accordingly inverse to the first Semiconductor layer system and vice versa Doping with doped semiconductor layers of the first Semiconductor layer system on the quantization layer grow up.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zu den Figuren dargestellt und wird im weiteren näher erläutert.An embodiment of the invention is to the figures shown and will be explained in more detail below.

Es zeigenShow it

Fig. 1A bis 1F Querschnitte durch ein Halbleiterlaserelement zu verschiedenen Herstellungszuständen während dessen Herstellung. Figs. 1A to 1F are cross sections through a semiconductor laser element to various manufacturing conditions during the manufacture thereof.

Fig. 1A zeigt ein Halbleiterlaserelement 100 mit einem n­ dotierten Silizium-Substrat 101 als Substratschicht. Fig. 1A shows a semiconductor laser element 100 with an n-type silicon substrate 101 as a substrate layer.

Auf der Substratschicht 101 ist eine erste Halbleiterschicht 102 aus n-dotiertem Aluminium-Gallium-Arsenid mittels des MBE- Verfahrens aufgewachsen (vgl. Fig. 1B).A first semiconductor layer 102 made of n-doped aluminum gallium arsenide is grown on the substrate layer 101 by means of the MBE method (cf. FIG. 1B).

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. 1C). 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.A thickness of approximately 150 nm also has a second layer 103 of gallium arsenide grown on the first semiconductor layer 102 (cf. FIG. 1C). 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 .

Auf der Gallium-Arsenid-Schicht 103 wird anschließend unter Ausnutzung des Stranski-Krastanov-Wachstumsmodus eine 1 nm bis 3 nm dicke Schicht 104 aus Indium-Gallium-Arsenid als Quantisierungsschicht 104 aufgewachsen (vgl. Fig. 1D).On the gallium arsenide layer 103 of the Stranski-Krastanov growth mode (cf. 1D. Fig.) Is then utilizing a 1 nm to 3 nm thick layer 104 of indium gallium arsenide as Quantisierungsschicht 104 grew.

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 to grow, 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 der Quantisierungsschicht 104 mit einer Dicke von ungefähr 150 nm aufgewachsen (vgl. Fig. 1E).On the Quantisierungsschicht 104 a further, third semiconductor layer 105 is a semiconductor layer of the second semiconductor layers system and is made of gallium arsenide is grown by the MBE method on the Quantisierungsschicht 104 having a thickness of about 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. 1F).On the third semiconductor layer 105, a fourth semiconductor layer is grown 106 microns of p-doped aluminum gallium arsenide having a thickness of about 2 (see. Fig. 1F).

Abschließend wird eine Schutz- und Kontaktschicht 107 aus p- dotiertem Gallium-Arsenid auf der vierten Halbleiterschicht 106 des zweiten Halbleiterschichtensystems aufgewachsen. Die Schutz- und Kontaktschicht 107 weist eine Dicke von ungefähr 0.5 µm auf.Finally, a protective and contact layer 107 made of p-doped gallium arsenide is grown on the fourth semiconductor layer 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. It should be noted in this context that the individual Layers in their thickness basically a wide one Have tolerance range in which the thickness is basically free is selectable.  

In diesen Dokument ist folgende Veröffentlichung zitiert:
[1] P. Bhattacharya, Semiconductor Optoelectronics Devices, Prentice Hall, ISBN 0-13-495656-7, S. 55-57, S. 272- 309, 1997
The following publication is cited in this document:
[1] P. Bhattacharya, Semiconductor Optoelectronics Devices, Prentice Hall, ISBN 0-13-495656-7, pp. 55-57, pp. 272-309, 1997

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100

Halbleiterlaserelement
Semiconductor laser element

101101

Silizium-Substrat
Silicon substrate

102102

Erste Halbleiterschicht
First semiconductor layer

103103

Zweite Halbleiterschicht
Second semiconductor layer

104104

Quantisierungsschicht
Quantisierungsschicht

105105

Dritte Halbleiterschicht
Third semiconductor layer

106106

Vierte Halbleiterschicht
Fourth semiconductor layer

107107

Schutzschicht
protective layer

Claims (10)

1. Halbleiterlaserelement mit
einem ersten Halbleiterschichtensystem mit mindestens einem ersten Halbleitermaterial,
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,
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 und/oder in dem zweiten Halbleiterschichtensystem zumindest teilweise gehindert werden.
1. Semiconductor laser element with
a first semiconductor layer system with at least one first semiconductor material,
a quantization layer made of a quantization material with a lattice constant that is larger than the lattice constant of the first semiconductor material, grown on the first semiconductor material,
a second semiconductor layer system grown on the quantization layer with a second semiconductor material,
wherein the quantization layer is set up in such a way that a quantization effect is formed 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 and / or in the second semiconductor layer system.
2. Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1,
mit einem Substrat aus einem ersten Material mit einer ersten Gitterkonstante,
bei dem das erste Halbleiterschichtensystem auf dem Substrat aufgewachsen ist, wobei die Gitterkonstante des ersten Halbleitermaterials ungleich der ersten Gitterkonstante ist,
2. The semiconductor laser element according to claim 1,
with a substrate made of a first material with a first lattice constant,
in which the first semiconductor layer system has grown on the substrate, the lattice constant of the first semiconductor material being not equal to the first lattice constant,
3. Halbleiterlaserelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das erste Halbleiterschichtensystem und/oder das zweite Halbleiterschichtensystem mehrere Halbleiterschichten aufweist bzw. aufweisen.3. A semiconductor laser element according to claim 1 or 2, in which the first semiconductor layer system and / or the second semiconductor layer system a plurality of semiconductor layers has or have. 4. Halbleiterlaserelement nach Anspruch 3, bei dem das erste Halbleiterschichtensystem eine erste Halbleiterschicht und eine zweite Halbleiterschicht aufweist,
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.
4. The semiconductor laser element according to claim 3, 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 formed from the first semiconductor material is grown on the first semiconductor layer.
5. Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem das Substrat zumindest eines der folgenden Materialien aufweist:
  • - Silizium,
  • - Germanium,
  • - Gallium-Phosphid,
  • - Gallium-Arsenid,
  • - Saphir,
  • - Silizium-Carbid, oder
  • - eine Legierung aus mindestens zwei der vorgenannten Materialien.
5. The semiconductor laser element as claimed in one of claims 2 to 4, in which the substrate has at least one of the following materials:
  • - silicon,
  • - germanium,
  • - gallium phosphide,
  • - gallium arsenide,
  • - sapphire,
  • - silicon carbide, or
  • - An alloy of at least two of the aforementioned materials.
6. Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das erste Halbleitermaterial zumindest eines der folgenden Materialien aufweist:
  • - Indium-Gallium-Aluminium-Arsenid,
  • - Gallium-Arsenid,
  • - Indium-Gallium-Aluminium-Arsenid-Phosphid,
  • - Indium-Phosphid,
  • - Aluminiumx-Gallium1-x-Nitrid, mit 0 ≦ x ≦ 1,
  • - eine Legierung aus zumindest zwei der folgenden Materialien:
    Cadmium, Magnesium, Zink, Selen, Schwefel, Tellur, Beryllium, Quecksilber,
6. The semiconductor laser element according to one of claims 1 to 5, wherein the first semiconductor material comprises at least one of the following materials:
  • - indium gallium aluminum arsenide,
  • - gallium arsenide,
  • - indium gallium aluminum arsenide phosphide,
  • - indium phosphide,
  • - aluminum x gallium 1-x nitride, with 0 ≦ x ≦ 1,
  • - an alloy of at least two of the following materials:
    Cadmium, magnesium, zinc, selenium, sulfur, tellurium, beryllium, mercury,
7. Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das erste Quantisierungsmaterial zumindest eines der folgenden Materialien aufweist:
  • - Indiumy-Gallium1-y-Arsenidz-Phosphid1-z, mit 0 ≦ y ≦ 1 und 0 ≦ z ≦ 1,
  • - Gallium-Antimonid,
  • - Quecksilberm-Cadmium1-m-Selenid, mit 0 ≦ m ≦ 1.
7. The semiconductor laser element according to claim 1, wherein the first quantization material comprises at least one of the following materials:
  • - indium y- gallium 1-y- arsenide z -phosphide 1-z , with 0 ≦ y ≦ 1 and 0 ≦ z ≦ 1,
  • - gallium antimonide,
  • - Mercury m- cadmium 1-m- selenide, with 0 ≦ m ≦ 1.
8. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterlaserelements,
bei dem auf einem ersten Halbleiterschichtensystem mit mindestens einem ersten Halbleitermaterial, eine Quantisierungsschicht aus einem Quantisierungsmaterial, das eine Gitterkonstante aufweist, die größer ist als die Gitterkonstante des ersten Halbleitermaterials, aufgewachsen wird,
bei dem auf der Quantisierungsschicht ein zweites Halbleiterschichtensystem mit einem zweiten Halbleitermaterial aufgewachsen wird,
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,.
8. A method for producing a semiconductor laser element,
in which, on a first semiconductor layer system with at least one first semiconductor material, a quantization layer made of a quantization material that has a lattice constant that is greater than the lattice constant of the first semiconductor material is grown,
in which a second semiconductor layer system with a second semiconductor material is grown on the quantization layer,
wherein the quantization layer is set up such 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.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem auf einem Substrat aus einem ersten Material mit einer ersten Gitterkonstante das erste Halbleiterschichtensystem mit mindestens einem ersten Halbleitermaterial, das eine Gitterkonstante aufweist, die ungleich der ersten Gitterkonstante ist, aufgewachsen wird,9. The method according to claim 8, in which on a substrate made of a first material a first lattice constant the first Semiconductor layer system with at least a first Semiconductor material that has a lattice constant that is not equal to the first lattice constant, is grown up, 10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Quantisierungsschicht unter Ausnutzung des Stranski-Krastanov-Wachstumsmodus aufgewachsen wird.10. The method according to claim 8 or 9, in which the quantization layer using the Stranski-Krastanov growth mode is growing up.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5898662A (en) * 1996-11-11 1999-04-27 Sony Corporation Semiconductor light emitting device, its manufacturing method and optical recording and/or reproducing apparatus
DE19819259A1 (en) * 1998-04-29 1999-11-04 Max Planck Gesellschaft Semiconductor used as optoelectronic element

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3468866B2 (en) * 1994-09-16 2003-11-17 富士通株式会社 Semiconductor device using three-dimensional quantum confinement
JP3033517B2 (en) * 1997-04-17 2000-04-17 日本電気株式会社 Semiconductor tunable laser

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5898662A (en) * 1996-11-11 1999-04-27 Sony Corporation Semiconductor light emitting device, its manufacturing method and optical recording and/or reproducing apparatus
DE19819259A1 (en) * 1998-04-29 1999-11-04 Max Planck Gesellschaft Semiconductor used as optoelectronic element

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BIMBERG, D.: Selbstordnende Quantenpunkte: Vom Festkörper zum Atom. In: Phys. Bl., Vol. 53, No. 6, 1997, S. 517-522 *
FISCHER, F. *
GRUNDMANN, M. *
LUGAUER, H.-J.: Halbleiterlaser bringen Farbe ins Spiel. In: Laser und Optoelek- tronik, Vol. 28, No. 5, 1996, S. 67-73 *
u.a.: Neuartige Halbleiterlaser auf der Basis von Quantenpunkten. In: Laser und Optoelektronik, Vol. 30, No. 3, 1998, S. 70-77 *

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