DE10122072A1 - Halbleiteremitterelement, Verfahren zum Herstellen eines Halbleiteremitterelementes und Verfahren zum Betreiben eines Halbleiteremitterelementes - Google Patents

Halbleiteremitterelement, Verfahren zum Herstellen eines Halbleiteremitterelementes und Verfahren zum Betreiben eines Halbleiteremitterelementes

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Abstract

Ein Halbleiteremtitterelement weist ein erstes Halbleiterschichtsystem mit wenigstens einer ersten Halbleiterschicht auf einer ersten leitenden Schicht und einer zweiten Halbleiterschicht mit darin ausgebildeten Quantendots, ein auf dem ersten Halbleiterschichtsystem aufgewachsenes zweites Halbleiterschichtsystem mit auf einer dritten Halbleiterschicht aufgewachsener zweiter leitender Schicht und ein Ansteuerungselement zum Anlegen von Spannungspulsen zwischen der ersten und der zweiten leitenden Schicht auf, wobei Elektronentunneln durch die erste Halbleiterschicht ermöglicht und durch die dritte Halbleiterschicht verhindert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiteremitterelement, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiteremitterelementes und ein Verfahren zum Betreiben eines Halbleiteremitterelementes.
Ein solches Halbleiteremitterelement ist als ein sogenannter Halbleiter-Diodenlaser bekannt, dessen Funktionsprinzip auf einem Übergang zwischen verschiedenen Energiebändern in einem Halbleiter beruht, wobei Leitungselektronen und Valenzelektronen, die durch einen pn-Übergang in eine aktive Schicht injiziert werden und durch die Bandlücke im Energieband des Halbleiters getrennt sind, unter Strahlungsemission rekombinieren.
Ein derartiges Halbleiteremitterelement eignet sich jedoch nicht für den ferninfraroten Spektralbereich (Terahertzbereich), da dann Halbleitermaterialien mit entsprechend geringer Bandlücke erforderlich wären, die allerdings bei Raumtemperatur bereits ein metallisches Verhalten zeigen.
Aus [1] ist ein weiteres Halbleiteremitterelement, ein sogenannter Quanten-Kaskadenlaser bekannt, bei dem die elektronischen Übergänge zwischen diskreten elektronischen Zuständen im Leitungsband stattfinden, die von einer Einschränkung der Elektronenbewegung in zweidimensionalen Elektronensystemen herrühren. Die zweidimensionalen Elektronensysteme werden an der Grenzfläche von Halbleiter- Heterostrukturen erzeugt, welche mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt werden. Auf diese Weise lassen sich zwar auch für den Einsatz im ferninfraroten Spektralbereich Halbleitermaterialien mit relativ großer Bandlücke verwenden, jedoch werden auch sehr hohe Anforderungen an den Herstellungsprozess der entsprechenden Halbleiter-Heterostrukturen gestellt.
Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Halbleiteremitterelement, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiteremitterelementes und ein Verfahren zum Betreiben eines Halbleiteremitterelementes anzugeben, welches bei einfacherem Aufbau für den ferninfraroten Spektralbereich (Terahertzbereich) geeignet ist.
Das Problem wird durch das Halbleiteremitterelement und das Verfahren zum Herstellen eines Halbleiteremitterelementes und das Verfahren zum Betreiben eines Halbleiteremitterelementes mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Ein Halbleiteremitterelement weist ein erstes Halbleiterschichtensystem mit wenigstens einem auf einer ersten leitenden Schicht aufgewachsenen ersten Halbleiterschicht aus einem ersten Material auf.
Die erste leitende Schicht weist vorzugsweise Silizium­ dotiertes Gallium-Arsenid auf.
Auf der ersten Halbleiterschicht ist eine zweite Halbleiterschicht aus einem zweiten Material aufgewachsen, wobei das erste und das zweite Material derart eingerichtet sind, dass sich bei auf der ersten Halbleiterschicht aufgewachsenen zweiten Halbleiterschicht in der zweiten Halbleiterschicht Quantendots ausbilden.
Unter Quantendots sind im Sinne der Erfindung nulldimensionale Elektronensysteme zu verstehen, die infolge der Einschränkung der Elektronenbewegung in allen drei Raumrichtungen diskrete Energiespektren aufweisen, welche denen natürlicher Atome vergleichbar sind, so dass die Quantendots quasi als künstliche Atome angesehen werden können.
Als erstes Material zum Bilden der ersten Halbleiterschicht können beispielsweise folgende Materialien eingesetzt werden:
  • 1. Indium-Gallium-Aluminium-Arsenid (In-Ga-Al-As), vorzugsweise Indiumx-Galliumy-Aluminiumz-Arsenid (InxGayAlzAs) mit x < 0.15, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1, insbesondere Gallium-Arsenid (GaAs),
  • 2. Indiuma-Gallium1-a-Phosphid (Ina-Ga1-aP) mit 0 ≦ a ≦ 1, vorzugsweise mit einem Gallium-Gehalt von 40% bis 60%,
  • 3. Indium-Gallium-Aluminium-Antimonid (InGaAlSb), vorzugsweise Indiumb-Galliumc-Aluminiumd-Antimonid (InbGacAldSb) mit a < 0.15, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ c ≦ 1, a + b + c = 1, insbesondere Gallium-Antimonid (GaSb),
  • 4. Galliumd-Aluminium1-d-Arsenide-Phosphid1-e (Gad-Al1-dAseP1-e) mit 0 ≦ d ≦ 1, 0 ≦ e ≦ 1, insbesondere Gallium-Phosphid (GaP) oder Aluminium- Phosphid (AlP),
  • 5. Indium-Gallium-Arsenid-Antimonid (InGaAsSb), vorzugsweise Indiumf-Gallium1-g-Arsenidg-Antimonid1-f (InfGa1-fAsgSb1-g) mit 0 ≦ f ≦ 1, 0 ≦ g ≦ 1,
  • 6. Zink-Cadmium-Selenid-Tellurid (ZnCdSeTe), vorzugsweise Zinkh-Cadmium1-h-Selenidi-Tellurid1-i (ZnhCd1-hhSeiTe1-i) mit 0 ≦ h ≦ 1, 0 ≦ i ≦ 1, insbesondere Zink-Selenid (ZnSe)
  • 7. Aluminium-Nitrid (AlN) oder Aluminiumj-(Galliumk-Bor1- k)1-j-Nitrid (Alj(GakB1-k)1-jN) mit 0 ≦ j ≦ 1 und mit 0 ≦ k ≦ 1, oder Aluminium-Gallium-Bor-Nitrid.
Die erste Halbleiterschicht stellt bei dem erfindungsgemäßen Halbleiteremitterelement gleichzeitig eine Tunnelbarriere für Elektronen dar, die aus der ersten leitenden Schicht durch die erste Halbleiterschicht hindurch zu den Quantendots tunneln. Die erste Halbleiterschicht weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 20 bis 30 nm auf.
Als zweites Material der zweiten Halbleiterschicht kann beispielsweise eines der folgenden Materialien verwendet werden, wobei die Nummerierung der einzelnen zweiten Materialien derart gewählt ist, dass sie insbesondere geeignet sind zur Verwendung mit einem oben aufgeführten ersten Material mit gleicher Nummer:
  • 1. Indium-Gallium-Aluminium-Arsenid (In-Ga-Al-As), vorzugsweise Indiumx-Galliumy-Aluminiumz-Arsenid (InxGayAlzAs) mit x < 0.15, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, x + y + z = 1, insbesondere Indium-Arsenid (InAs)
  • 2. Indiuma-Gallium1-a-Phosphid (Ina-Ga1-aP) mit 0 ≦ a ≦ 1, vorzugsweise mit einem Gallium-Gehalt, der geringer ist als der Gallium-Gehalt des ersten Materials in der ersten Schicht,
  • 3. Indium-Gallium-Aluminium-Antimonid (InGaAlSb), vorzugsweise Indiumb-Galliumc-Aluminiumd-Antimonid (InbGacAldSb) mit a < 0.15, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ c ≦ 1, a + b + c = 1,,
  • 4. Galliumd-Aluminium1-d-Arsenide-Phosphid1-e (Gad-Al1-dAseP1-e) mit 0 ≦ d ≦ 1, e < 0.1, insbesondere Gallium-Phosphid (GaP) oder Aluminium-Phosphid (AlP),
  • 5. Indium-Gallium-Arsenid-Antimonid (InGaAsSb), vorzugsweise Indiumf-Gallium1-f-Arsenidg-Antimonid1-g (InfGa1-fAsgSb1-g) mit 0 ≦ f ≦ 1, g < 0.1,
  • 6. Zink-Cadmium-Selenid-Tellurid (ZnCdSeTe), vorzugsweise Zinkh-Cadmium1-h-Selenidi-Tellurid1-i (ZnhCd1-hSeiTe1-i) mit h < 0.5, i < 0.1, insbesondere Zink-Selenid (ZnSe)
  • 7. Aluminiumj-(Galliumk-Bor1-k)1-j-Nitrid (Alj(GakB1-k)1- jN) mit 0 ≦ j ≦ 1 und mit 0 ≦ k ≦ 1, oder Aluminium- Gallium-Bor-Nitrid.
Allgemein können jedoch alle bekannten Kombinationen eines ersten Materials einer ersten Halbleiterschicht mit einem zweiten Material einer zweiten Halbleiterschicht verwendet werden, in denen sich grundsätzlich Quantendots ausbilden können.
Somit eignen sich insbesondere folgende Materialkombinationen für jeweils das erste Material bzw. das zweite Material (die im weiteren verwendete Nomenklatur ist: erstes Material/zweites Material):
  • - Gallium-Arsenid/Indium-Arsenid,
  • - Aluminium-Nitrid/Gallium-Nitrid,
  • - Gallium-Arsenid/Indiumm-Gallium1-m-Arsenid mit 0 ≦ m ≦ 1,
  • - Aluminiumn-Gallium1-n-Arsenid mit 0 ≦ n ≦ 1/Indium- Arsenid,
  • - Aluminiumo-Bor1-o-Nitrid mit 0 ≦ o ≦ 1/Gallium-Nitrid,
  • - Aluminiump-(Galliumq-Bor1-q)1-p-Nitrid mit 0 ≦ p ≦ 1 und mit 0 ≦ q ≦ 1/Indiumv-Gallium1-v-Nitrid mit 0 ≦ v ≦ 1,
  • - Gallium-Arsenid/Gallium-Antimonid,
  • - Indiumr-Gallium1-r-Phosphid mit 0 ≦ r ≦ 1/Indium- Phosphid,
  • - Gallium-Antimonid/Indium-Antimonid,
  • - Zink-Selenid/Cadmium-Zink-Selenid-Tellurid.
Auf dem ersten Halbleiterschichtsystem ist ein zweites Halbleiterschichtsystem mit wenigstens einer dritten Halbleiterschicht aus einem dritten Material und einer darauf aufgewachsenen zweiten leitenden Schicht aufgewachsen. Die dritte Halbleiterschicht dient dabei als Blockierbarriere für Elektronen, die durch die erste Halbleiterschicht hindurch zu den Quantendots getunnelt sind und kann beispielsweise ein Aluminium-Arsenid/Gallium-Arsenid-Übergitter aufweisen.
Die dritte Halbleiterschicht weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 110 bis 120 nm auf.
Vorzugsweise umfasst das erste Halbleiterschichtsystem eine auf die Quantendots der zweiten Halbleiterschicht aufgebrachte Bedeckungsschicht. Die Bedeckungsschicht kann insbesondere Gallium-Arsenid aufweisen.
Ferner ist ein Ansteuerungselement zum Anlegen von Spannungspulsen zwischen der ersten und der zweiten leitenden Schicht vorgesehen, wobei das Ansteuerungselement derart eingerichtet ist, dass die Pulshöhe der Spannungspulse so bemessen ist, dass das Ferminiveau der ersten leitenden Schicht in Übereinstimmung mit einem angeregten Energieniveau der Quantendots liegt, wobei ein Tunneln von Elektronen durch die erste Halbleiterschicht ermöglicht und ein Tunneln von Elektronen durch die dritte Halbleiterschicht verhindert wird.
Vorzugsweise ist das Ansteuerungselement zum periodischen Anlegen von Spannungspulsen zwischen der ersten und der zweiten leitenden Schicht ausgelegt.
Die vorliegende Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, dass für verschiedene Energiezustände von Quantendots unterschiedliche Tunnelzeiten existieren, wie in [2] mittels frequenzabhängiger Kapazitätsspektroskopie experimentell nachgewiesen wurde.
Während nämlich in diesen Experimenten das Ladungsverhalten der s-Zustände in Indium-Arsenid-Quantendots stark durch eine Erhöhung der Modulationsfrequenz beeinflusst wurde, wirkte sich eine Erhöhung der Modulationsfrequenz auf die p-Zustände nur geringfügig aus, was qualitativ dadurch erklärt werden kann, dass eine Erhöhung der Gatespannung zu einer Abnahme der jeweiligen Tunnelbarriere führt.
Da somit der Tunnelprozess für die energetisch niedrigsten Zustände (s-Zustände) vergleichsweise langsam und der Tunnelprozess für die energetisch höher liegenden Zustände (p-Zustände) vergleichsweise schnell abläuft, lässt sich durch Anlegen geeigneter Spannungspulse die Fermi-Energie in Übereinstimmung mit einem p-Zustand bringen, bevor ein Tunneln in den s-Zustand eintritt. Auf diese Weise lässt sich im Ergebnis eine Populationsinversion erreichen, da die p- Zustände bevölkert werden, während die s-Zustände im wesentlichen leer bleiben.
Hierbei ist für eine optimale Funktionsweise des erfindungsgemäßen Halbleiteremitterelementes von Bedeutung, dass die in der zweiten Halbleiterschicht ausgebildeten Quantendots hinsichtlich ihrer Geometrie weitgehend homogen sind, so dass bei der strahlenden Relaxation der Elektronen in den Grundzustand scharfe Energiespektren ausgesandt werden.
Ein geeignetes Verfahren zur Ausbildung solcher Quantendots mit nahezu unveränderten geometrischen Abmessungen stellt das sogenannte Stranski-Krastanov-Wachstum dar, bei dem beispielsweise kohärent verspannte Indium-Arsenid-Inseln auf einer Gallium-Arsenid-Schicht aufgewachsen werden. Hierbei tritt nach anfänglichem flächenhaften und benetzendem Aufwachsen ab einer Bedeckung von etwa 1,7 Monolagen eine selbstständige Änderung in der Oberflächenstruktur auf, indem nämlich bei weiterer Bedeckung mit Indium-Arsenid bis zu ca. 2 Monolagen dreidimensionale Inseln von nahezu unveränderten geometrischen Abmessungen entstehen. Diese dreidimensionalen Indium-Arsenid-Inseln können als Quantendots im Sinne der Erfindung angesehen werden.
Die mittels des Stranski-Krastanov-Wachstums erhaltenen Quantendots zeichnen sich durch sehr große Homogenität und Versetzungsfreiheit aus. Hierbei liegt der Durchmesser der Inseln typischerweise bei ca. 20 nm und die Höhe der Inseln zwischen 6 und 7 nm.
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiteremitterelements wird ein erstes Halbleiterschichtsystem dadurch gebildet, dass auf einer ersten leitenden Schicht wenigstens eine erste Halbleiterschicht aus einem ersten Material und auf der ersten Halbleiterschicht wenigstens eine zweite Halbleiterschicht aus einem zweiten Material aufgewachsen wird. Hierbei sind das erste und das zweite Material derart eingerichtet, dass sich bei auf der ersten Halbleiterschicht aufgewachsenen zweiten Halbleiterschicht in der zweiten Halbleiterschicht Quantendots ausbilden.
Zum Aufwachsen der zweiten Halbleiterschicht auf der ersten Halbleiterschicht kann insbesondere das Stranski-Krastanov- Wachstum ausgenutzt werden.
Auf der zweiten Halbleiterschicht wird ein drittes Halbleiterschichtsystem mit einer dritten Halbleiterschicht aus einem dritten Material und einer darauf aufgewachsenen zweiten leitenden Schicht aufgewachsen, und zwischen der ersten und der zweiten leitenden Schicht wird ein Ansteuerungselement zum Anlegen von Spannungspulsen zwischen der ersten und der zweiten leitenden Schicht angeschlossen.
Das Ansteuerungselement ist derart eingerichtet, dass die Pulshöhe der Spannungspulse so bemessen ist, dass das Ferminiveau der ersten leitenden Schicht in Übereinstimmung mit einem angeregten Energieniveau der Quantendots liegt, und ein Tunneln von Elektronen durch die erste Halbleiterschicht ermöglicht und ein Tunneln von Elektronen durch die dritte Halbleiterschicht verhindert wird.
Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Halbleiteremitterelements mit einem ersten Halbleiterschichtsystem mit wenigstens einer auf einer ersten leitenden Schicht aufgewachsenen ersten Halbleiterschicht aus einem ersten Material und einer auf der ersten Halbleiterschicht aufgewachsenen zweiten Halbleiterschicht aus einem zweiten Material, wobei das erste und das zweite Material derart eingerichtet sind, dass sich bei auf der ersten Halbleiterschicht aufgewachsenen zweiten Halbleiterschicht in der zweiten Halbleiterschicht Quantendots ausbilden, einem auf dem ersten Halbleiterschichtsystem aufgewachsenen zweiten Halbleiterschichtsystem mit wenigstens einer dritten Halbleiterschicht aus einem dritten Material und einer darauf aufgewachsenen zweiten leitenden Schicht, und einem Ansteuerungselement zum Anlegen von Spannungspulse zwischen der ersten und der zweiten leitenden Schicht, werden mittels des Ansteuerungselementes Spannungspulse zwischen der ersten und der zweiten leitenden Schicht angelegt, deren Pulshöhe so bemessen ist,
  • - dass das Ferminiveau der ersten leitenden Schicht in Übereinstimmung mit einem angeregten Energieniveau der Quantendots liegt, und
  • - ein Elektronentunneln durch die erste Halbleiterschicht ermöglicht und ein Tunneln von Elektronen durch die dritte Halbleiterschicht verhindert wird.
Vorzugsweise werden die Spannungspulse zwischen der ersten und der zweiten leitenden Schicht periodisch angelegt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht eines Halbleiteremitterelementes gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 den schematischen Verlauf der Leitungsbandkante in einem gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgestalteten Halbleiteremitterelement; und
Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen der Lage der bei der Struktur aus Fig. 2 ausgebildeten Tunnelbarriere in Bezug auf das Fermi-Niveau, anhand derer das Prinzip, das dem Ausführungsbeispiel der Erfindung zugrunde liegt, dargestellt wird.
Gemäß Fig. 1 weist ein Halbleiteremitterelement 100 auf einem Substrat 101, beispielsweise einem Gallium-Arsenid-Substrat, eine erste elektrisch leitende Schicht 102 auf. Die erste elektrisch leitende Schicht 102 kann z. B. silizium-dotiertes Gallium-Arsenid aufweisen, wobei die Dicke der Gallium- Arsenid-Schicht 20 nm und die Dotierdichte n = 4 × 1018 cm-3 beträgt.
Die erste elektrisch leitende Schicht 102 stellt den Rückkontakt des Halbleiteremitterelements 100 dar.
Auf der ersten elektrisch leitenden Schicht 102 ist eine erste Halbleiterschicht 103 aus einem ersten Material, gemäß diesem Ausführungsbeispiel (001)-Gallium-Arsenid, aufgewachsen. Die erste Halbleiterschicht 103 weist eine Dicke von ungefähr d1 = 25 nm auf und dient als Tunnelbarriere des Halbleiteremitterelements 100.
Auf der ersten Halbleiterschicht 103 sind selbstordnende Quantendots 104 mittels des Stranski-Krastanov-Wachstums aufgewachsen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Quantendots 104 um Indium-Arsenid-Quantendots 104. Zur Ausbildung der Indium-Arsenid-Quantendots 104 wird auf der ersten Halbleiterschicht 103 aus (001)-Gallium- Arsenid eine Bedeckung von etwa zwei Monolagen Indium-Arsenid aufgewachsen, so dass sich weitgehend homogene, die Quantendots 104 darstellende Inseln ausbilden.
Die Quantendots 104 besitzen beispielsweise einen nahezu unveränderten Durchmesser von ca. 20 nm und eine Höhe zwischen 6 und 7 nm.
Auf den Quantendots 104 ist ferner gemäß der dargestellten bevorzugten Ausführungsform eine Bedeckungsschicht 105 aus Gallium-Arsenid aufgebracht, die eine Dicke von ca. 30 nm aufweist.
Auf der Bedeckungsschicht 105 ist eine dritte Halbleiterschicht 106 aufgewachsen, die aus einem d2 = 110-120 nm dicken Aluminium-Arsenid/Gallium-Arsenid- Übergitter besteht. Die dritte Halbleiterschicht 106 dient als Blockierbarriere, die ein Tunneln von Elektronen und damit ein Entladen der Quantendots 104 durch die dritte Halbleiterschicht 106 hindurch verhindern soll.
Auf der dritten Halbleiterschicht 106 ist eine zweite elektrisch leitende Schicht 107 aufgebracht, beispielsweise aufgedampft, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein beliebiges metallisch leitendes Material, beispielsweise eine Nickel-Chrom-Legierung, aufweist. Die zweite elektrisch leitende Schicht 107 dient als metallischer Topkontakt des Halbleiteremitterelements 100.
Ferner ist ein (in Fig. 1 nur angedeutetes) Ansteuerungselement 108, beispielsweise eine gepulste Spannungsquelle, vorgesehen, mittels dem Spannungspulse Vg zwischen der ersten leitenden, als Rückkontakt dienenden Schicht 102 und der zweiten leitenden, als metallischer Topkontakt dienenden Schicht 107 angelegt werden können.
Die Pulshöhe der durch das Ansteuerungselement 108 angelegten Spannungspulse ist so bemessen, dass das Ferminiveau der ersten Schicht 102 jeweils in Übereinstimmung mit einem angeregten Energieniveau der Quantendots 104 liegt, was im folgenden anhand der Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 noch näher erläutert wird.
Die Größe der Spannungspulse Vg wird so gewählt, dass zwar ein Tunneln von Elektronen durch die als Tunnelbarriere dienende erste Halbleiterschicht 103 ermöglicht, aber ein Entladen der Quantendots 104 durch die dritte, als Blockierbarriere dienende Halbleiterschicht 106 vermieden wird.
Wie anhand des in Fig. 2 dargestellten Leitungsbandkantenverlaufs in den verschiedenen Schichten des Halbleiteremitterelements 100 deutlich wird, stellt die erste Halbleiterschicht 103 eine Tunnelbarriere der Dicke d1 für aus dem Rückkontakt (= erste elektrisch leitende Schicht 102) in Richtung der Indium-Arsenid-Quantendots 104 tunnelnde Elektronen dar, wobei gleichzeitig infolge der durch die das Gallium-Arsenid/Aluminium-Arsenid-Übergitter aufweisende dritte Halbleiterschicht 106 der Dicke d2 ein Entladen der in den Quantendots 104 befindlichen Elektronen in Richtung des metallischen Topkontakts (zweite elektrisch leitende Schicht 107) verhindert wird.
Durch Anlegen von Gleichspannungspulsen zwischen den durch die erste elektrisch leitende Schicht 102 gebildeten Rückkontakt und den durch die zweite elektrisch leitende Schicht 107 gebildeten metallischen Topkontakt kann nun die in Fig. 2 dargestellte Leitungsbandkante - und damit auch die Energieniveaus der Quantendots 104 - in bezug auf das Fermi- Niveau (dargestellt durch die gestrichelte Linie in Fig. 2) variiert werden. Insbesondere befinden sich keine Elektronen in den Quantendots 104, solange die Energieniveaus der Quantendots 104 oberhalb der Fermi-Energie liegen.
Bei Anlegen geeigneter Spannungspulse wird es hingegen möglich, die Quantendots 104 sukzessive mit Elektronen zu laden, wie anhand von Fig. 3 und Fig. 4 weiter erläutert wird.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist zunächst ohne Anlegen eines Spannungspulses zwischen Rückkontakt und metallischem Topkontakt ein im Rückkontakt befindliches Elektron 200 von den verschiedenen Energiezuständen eines Quantendots 104 durch die infolge der Gallium-Arsenid-Schicht 103 gebildete Tunnelbarriere 201 getrennt, wobei sich das Fermi-Niveau 202 unterhalb des energetischen Grundzustands 203 (s-Zustand) sowie des ersten angeregten Zustandes 204 (p-Zustand) des Quantendots 104 befindet.
Wird nun ausgehend von diesem, in Fig. 4a nochmals schematisch skizzierten Zustand über das Ansteuerungselement 108 ein Spannungspuls Vg zwischen der den Rückkontakt bildenden Schicht 102 und der den metallischen Topkontakt bildenden Schicht 107 angelegt, dessen Pulshöhe so bemessen ist, dass das Ferminiveau der ersten Schicht 102 in Übereinstimmung mit dem ersten angeregten Zustand 204 (p-Zustand) des Quantendots 104 liegt, so wird dieser erste angeregte Zustand 204 des Quantendots 104 mit Elektronen 200 geladen (Fig. 4b).
Infolge der unterschiedlichen Tunnelzeiten für s- und p- Zustände 203, 204 in den Quantendots 104 infolge der für die unterschiedlichen Energiezustände des Quantendots varierende Dicke der Tunnelbarriere 201 der Gallium-Arsenid-Schicht 103 findet hierbei ein vergleichsweise schnelles Tunneln für den p-Zustand 204 und nur ein vergleichsweise langsames Tunneln für den s-Zustand 203 statt, so dass der p-Zustand 204 mit Elektronen 200 bevölkert wird, während der s-Zustand 203 weitgehend leer bleibt, so dass im Ergebnis die für die Emission notwendigen Voraussetzungen erreicht werden. Dabei wird infolge der zum Bilden einer Blockierbarriere für die Elektronen 200 ausreichenden Dicke d2 der dritten Halbleiterschicht 106 ein Entladen der Quantendots 104 in Richtung zum Topkontakt verhindert.
Wie in Fig. 4c skizziert ist, relaxieren anschließend die im ersten angeregten Zustand 204 des Quantendots 104 angesammelten Elektronen 200 wieder in den Grundzustand 203 des Quantendots 104 unter Emission von Photonen 205 zurück. Nach Ausschalten des Spannungspulses Vg fließen die Elektronen 200 gemäß Fig. 4d und Fig. 4e wieder aus den Quantendots 104 in die als Rückkontakt dienende Gallium- Arsenid-Schicht 102 zurück.
Je nach Größe der Spannungspulse Vg lassen sich verschieden hoch angeregte Zustände der Quantendots 104 bevölkern, so dass unterschiedliche Wellenlängen im ferninfrarotem Spektralbereich angezeigt werden können. Insbesondere wird durch eine periodische Wiederholung des Zyklus eine gepulste Emission von infraroter Strahlung ermöglicht.
In diesem Dokument sind die folgenden Veröffentlichungen zitiert:
[1] J. Faist et al., Quantum Cascade Laser, Science, Vol. 264, S. 553-556, 1994
[2] R. J. Luyken et al., The dynamics of tunneling into self­ assembled InAs dots, Applied Physics Letters, Vol. 74, S. 2486-2488, 1999
Bezugszeichenliste
100
Halbleiteremitterelement
101
Substrat
102
erste leitende Schicht
103
erste Halbleiterschicht
104
Quantendots (≅ zweite Halbleiterschicht)
105
Bedeckungsschicht
106
dritte Halbleiterschicht
107
zweite leitende Schicht
108
Ansteuerungselement
200
Elektron
201
Tunnelbarriere
202
Fermi-Niveau
203
Grundzustand
204
erster angeregter Zustand
205
Photon

Claims (18)

1. Halbleiteremitterelement mit
einem ersten Halbleiterschichtsystem mit wenigstens einer auf einer ersten elektrisch leitenden Schicht aufgewachsenen ersten Halbleiterschicht aus einem ersten Material und einer auf der ersten Halbleiterschicht aufgewachsenen zweiten Halbleiterschicht aus einem zweiten Material, wobei das erste und das zweite Material derart eingerichtet sind, dass sich bei auf der ersten Halbleiterschicht aufgewachsenen zweiten Halbleiterschicht in der zweiten Halbleiterschicht Quantendots ausbilden,
einem auf dem ersten Halbleiterschichtsystem aufgewachsenen zweiten Halbleiterschichtsystem mit wenigstens einer dritten Halbleiterschicht aus einem dritten Material und einer darauf aufgewachsenen zweiten elektrisch leitenden Schicht, und
einem Ansteuerungselement zum Anlegen von Spannungspulsen zwischen der ersten und der zweiten elektrisch leitenden Schicht, wobei das Ansteuerungselement derart eingerichtet ist, dass die Pulshöhe der Spannungspulse so bemessen ist,
dass das Ferminiveau der ersten elektrisch leitenden Schicht in Übereinstimmung mit einem angeregten Energieniveau der Quantendots liegt, und
ein Elektronentunneln durch die erste Halbleiterschicht ermöglicht und ein Tunneln von Elektronen durch die dritte Halbleiterschicht verhindert wird.
2. Halbleiteremitterelement nach Anspruch 1,
bei dem das erste Material Aluminiumn-Gallium1-n-Arsenid mit 0 ≦ n ≦ 1, aufweist, und
bei dem das zweite Material Indium-Arsenid oder Gallium- Antimonid aufweist.
3. Halbleiteremitterelement nach Anspruch 1,
bei dem das erste Material Aluminium-Nitrid aufweist, und
bei dem das zweite Material Gallium-Nitrid aufweist.
4. Halbleiteremitterelement nach Anspruch 1,
bei dem das erste Material Aluminiump-(Galliumq-Bor1-q)1-p-Nitrid mit 0 ≦ p ≦ 1 und mit 0 ≦ q ≦ 1 aufweist, und
bei dem das zweite Material Indiumv-Gallium1-v-Nitrid mit 0 ≦ v ≦ 1 aufweist.
5. Halbleiteremitterelement nach Anspruch 1,
bei dem das erste Material Indiumr-Gallium1-r-Phosphid mit 0 ≦ r ≦ 1 aufweist, und
bei dem das zweite Material Indium-Phosphid aufweist.
6. Halbleiteremitterelement nach Anspruch 1,
bei dem das erste Material Gallium-Antimonid aufweist, und
bei dem das zweite Material Indium-Antimonid aufweist.
7. Halbleiteremitterelement nach Anspruch 1,
bei dem das erste Material Zink-Selenid aufweist, und
bei dem das zweite Material Cadmium-Selenid aufweist.
8. Halbleiteremitterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Ansteuerungselement zum periodischen Anlegen von Spannungspulsen zwischen der ersten und der zweiten leitenden Schicht ausgelegt ist.
9. Halbleiteremitterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erste Halbleiterschicht eine Dicke im Bereich von 20 bis 30 nm aufweist.
10. Halbleiteremitterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die dritte Halbleiterschicht ein Aluminium- Arsenid/Gallium-Arsenid-Übergitter aufweist.
11. Halbleiteremitterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die dritte Halbleiterschicht eine Dicke im Bereich von 110 bis 120 nm aufweist.
12. Halbleiteremitterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das erste Halbleiterschichtsystem eine auf die Quantendots der zweiten Halbleiterschicht aufgebrachte Bedeckungsschicht umfasst.
13. Halbleiteremitterelement nach Anspruch 12, wobei die Bedeckungsschicht Gallium-Arsenid aufweist.
14. Halbleiteremitterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die erste elektrisch leitende Schicht Silizium­ dotiertes Gallium-Arsenid aufweist.
15. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiteremitterelements, bei dem
ein erstes Halbleiterschichtsystem mit wenigstens einer auf einer ersten elektrisch leitenden Schicht aufgewachsenen ersten Halbleiterschicht aus einem ersten Material und einer auf der ersten Halbleiterschicht aufgewachsenen zweiten Halbleiterschicht aus einem zweiten Material gebildet wird, wobei das erste und das zweite Material derart eingerichtet sind, dass sich bei auf der ersten Halbleiterschicht aufgewachsenen zweiten Halbleiterschicht in der zweiten Halbleiterschicht Quantendots ausbilden,
auf dem ersten Halbleiterschichtsystem ein zweites Halbleiterschichtsystem mit wenigstens einer dritten Halbleiterschicht aus einem dritten Material und einer darauf aufgewachsenen zweiten elektrisch leitenden Schicht aufgewachsen wird, und
zwischen der ersten und der zweiten leitenden Schicht ein Ansteuerungselement zum Anlegen von Spannungspulsen zwischen der ersten und der zweiten elektrisch leitenden Schicht angeschlossen wird, wobei das Ansteuerungselement derart eingerichtet ist, dass die Pulshöhe der Spannungspulse so bemessen ist,
dass das Ferminiveau der ersten elektrisch leitenden Schicht in Übereinstimmung mit einem angeregten Energieniveau der Quantendots liegt, und
ein Tunneln von Elektronen durch die erste Halbleiterschicht ermöglicht und ein Tunneln von Elektronen durch die dritte Halbleiterschicht verhindert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die zweite Halbleiterschicht auf der ersten Halbleiterschicht unter Ausnutzung des Stranski-Krastanov-Wachstums aufgewachsen wird.
17. Verfahren zum Betreiben eines Halbleiteremitterelements mit
einem ersten Halbleiterschichtsystem mit wenigstens einer auf einer ersten elektrisch leitenden Schicht aufgewachsenen ersten Halbleiterschicht aus einem ersten Material und einer auf der ersten Halbleiterschicht aufgewachsenen zweiten Halbleiterschicht aus einem zweiten Material, wobei das erste und das zweite Material derart eingerichtet sind, dass sich bei auf der ersten Halbleiterschicht aufgewachsenen zweiten Halbleiterschicht in der zweiten Halbleiterschicht Quantendots ausbilden,
einem auf dem ersten Halbleiterschichtsystem aufgewachsenen zweiten Halbleiterschichtsystem mit wenigstens einer dritten Halbleiterschicht aus einem dritten Material und einer darauf aufgewachsenen zweiten elektrisch leitenden Schicht, und
einem Ansteuerungselement zum Anlegen von Spannungspulse zwischen der ersten und der zweiten elektrisch leitenden Schicht, wobei mittels des Ansteuerungselementes Spannungspulse zwischen der ersten und der zweiten leitenden Schicht angelegt werden, deren Pulshöhe so bemessen ist,
dass das Ferminiveau der ersten elektrisch leitenden Schicht in Übereinstimmung mit einem angeregten Energieniveau der Quantendots liegt, und
ein Elektronentunneln durch die erste Halbleiterschicht ermöglicht und ein Tunneln von Elektronen durch die dritte Halbleiterschicht verhindert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Spannungspulse zwischen der ersten und der zweiten elektrisch leitenden Schicht periodisch angelegt werden.
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US5963571A (en) * 1997-06-30 1999-10-05 Nec Research Institute, Inc. Quantum-dot cascade laser
DE19819259A1 (de) * 1998-04-29 1999-11-04 Max Planck Gesellschaft Verfahren zur epitaktischen Herstellung von Halbleiter-Wachstumsinseln

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LUYKEN R.J., u.a.: The dynamics of tunneling into sekf.asenbked Ub-as dots. In: Applied Physics Letters, Vol. 74, No. 17, 1999, S. 2486-2488 *

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