DE102017109804A1

DE102017109804A1 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE102017109804A1
Application number: DE102017109804.6A
Authority: DE
Inventors: Matthias Peter; Teresa Wurm; Christoph Eichler
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2017-05-08
Filing date: 2017-05-08
Publication date: 2018-11-08
Also published as: WO2018206443A1

Abstract

Es wird ein Halbleiterlaser (10) beschrieben, umfassend ein Substrat (1), eine auf dem Substrat (1) angeordnete Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) und eine auf der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) angeordnete Halbleiterschichtenfolge (9), welche eine aktive Schicht (4) umfasst, wobei die aktive Schicht (4) ein Indium enthaltendes Nitridverbindungshalbleitermaterial enthält. Die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) umfasst mit Silizium dotiertes In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 0,03 und 0 ≤ y ≤ 0,03, wobei eine Dotierstoffkonzentration in der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) mindestens 1 * 10¹⁹ cm^-3 beträgt. Die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) weist eine Dicke von mindestens 100 nm auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, insbesondere einen auf einem Indium enthaltenden Nitridverbindungshalbleiter-Material basierenden Halbleiterlaser.
Indium enthaltende Nitridverbindungshalbleiter-Materialien werden insbesondere zur Herstellung von Halbleiterlasern eingesetzt, die beispielsweise Laserstrahlung im blauen oder grünen Spektralbereich emittieren.
Es hat sich herausgestellt, dass beim Wachstum von Indium enthaltenden Nitridverbindungshalbleiter-Materialien Defekt-Cluster entstehen können, die als Absorptionszentren wirken und die Effizienz des Halbleiterlasers herabsetzen können.
Eine zu lösende Aufgabe besteht somit darin, einen verbesserten Halbleiterlaser anzugeben, der sich insbesondere durch eine verringerte Defekt-Cluster-Dichte auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch einen Halbleiterlaser gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser ein Substrat, eine auf dem Substrat angeordnete Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht, und eine Halbleiterschichtenfolge. Das Substrat ist insbesondere ein zum epitaktischen Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge geeignetes Aufwachssubstrat. Weiterhin umfasst der Halbleiterlaser eine auf dem Substrat angeordnete Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht, die vorzugsweise unmittelbar an das Substrat angrenzt. Die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht ist bei dem Halbleiterlaser insbesondere dazu vorgesehen, die Ausbreitung von Defekten aus dem Substrat zu vermindern und so einer Bildung von Defekt-Clustern entgegenzuwirken. Auf der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht ist eine Halbleiterschichtenfolge angeordnet, welche insbesondere die aktive Schicht des Halbleiterlasers umfasst.
Die aktive Schicht ist zur Emission von Laserstrahlung vorgesehen. Die aktive Schicht kann zum Beispiel als pn-Übergang, als Doppelheterostruktur, als Einfach-Quantentopfstruktur oder Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildet sein. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst dabei jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss (Confinement) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Die aktive Schicht umfasst vorzugsweise mindestens ein Indium enthaltendes Nitridverbindungshalbleitermaterial. Die aktive Schicht oder zumindest eine Teilschicht davon umfasst beispielsweise In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 < x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y < 1. bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die aktive Schicht eine Mehrfach-Quantentopfstruktur mit abwechselnden Quantentopfschichten aus In_x1Ga_1-x1N mit 0 < x1 ≤ 1 und Barriereschichten aus In_x2Ga_1-x2N mit 0 ≤ x2 ≤ 1 und x2 ≤ x1.
Bei dem Halbleiterlaser weist die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht vorteilhaft mit Silizium dotiertes In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 0,03 und 0 ≤ y ≤ 0,03 auf oder besteht daraus. Die Dotierstoffkonzentration in der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht beträgt bevorzugt mindestens 1 * 10¹⁹ cm^-3. Weiterhin weist die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht eine Dicke von mindestens 100 nm auf. Bevorzugt weist die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht mit Silizium dotiertes In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 0,01 und 0 ≤ y ≤ 0,01 auf oder besteht daraus. Besonders bevorzugt weist die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht mit Silizium dotiertes GaN (entsprechend x = 0, y = 0) auf oder besteht daraus.
Die Erfinder haben insbesondere erkannt, dass es beim Wachstum von Indium-haltigen III-N-Verbindungshalbleitern (z.B. InGaN) zur Ausbildung von V-förmigen Defekten (V-Pits) an Versetzungen kommen kann, die aus dem Substrat (bei Homoepitaxie) oder aus Pufferschichten (bei Heteroepitaxie) stammen. Die Versetzungsdichte des Substrates kann bei Verwendung eines GaN-Substrats beispielsweise etwa 5 * 10⁴ cm^-2 bis 5 * 10⁶ cm^-2 betragen. In den V-förmigen Defekten wächst das Indium enthaltende Nitridverbindungshalbleitermaterial in von der c-Achse verschiedenen Kristallorientierungen und es bildet sich ein Bereich mit unterschiedlicher Dicke und Indium-Gehalt im Vergleich zu Bereichen in c-Richtung aus. Die Quanteneffizienz ist im Umkreis von solchen Versetzungen oder Defekten deutlich reduziert. Die Defekte sind beispielsweise sichtbar in einem Photolumineszenz-Mikroskop oder Kathodolumineszenz-Mikroskop und weisen typischerweise einen Durchmesser von unter 1 µm auf.
Unter typischen Wachstumsbedingungen von InAlGaN können aus dem Substrat stammende Versetzungen gleiten und es kann zur Clusterbildung von Defekten kommen, die sich in großflächigen Bereichen bemerkbar machen, in denen die Quanteneffizienz deutlich geringer ist. Diese Defekt-Cluster sind ebenfalls in einem Photolumineszenz-Mikroskop oder Kathodolumineszenz-Mikroskop sichtbar und weisen einen Durchmesser von mehr als 1 µm, typischerweise 20 µm bis 40 µm, auf. Es hat sich herausgestellt, dass die Ausbildung von Defekt-Clustern insbesondere von der integralen Menge Indium in den abgeschiedenen Schichten, von der Wachstumstemperatur der darüberliegenden Schichten und von der Defektdichte und des Substrats oder der Pufferschichten abhängt. Die Defekt-Cluster können die Effizienz des Halbleiterlasers reduzieren und als Absorptionszentren wirken. Dadurch kann die Performance des Halbleiterlasers verschlechtert werden. Die hierin beschriebene Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht zielt deshalb darauf ab, der Ausbildung von Defekt-Clustern entgegenzuwirken.
Der hier beschriebene Halbleiterlaser macht sich insbesondere die Erkenntnis zu Nutze, dass die Beweglichkeit von Versetzungen durch die zwischen dem Substrat und der funktionellen Halbleiterschichtenfolge eingefügte Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht mit einer hohen Dotierstoffkonzentration von mindestens 1 * 10¹⁹ cm^-3 und einer großen Dicke von mindestens 100 nm verringert werden kann. Insbesondere wird durch die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht die Ausbreitung von Versetzungen aus dem Substrat in die Halbleiterschichtenfolge hinein vermindert.
Somit ist es mit der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht möglich, die Anzahl der Defekt-Cluster im Vergleich zu einem Halbleiterlaser mit ansonsten gleichem Schichtaufbau und gleichen Wachstumsbedingungen, insbesondere gleicher Wachstumszeit und Wachstumstemperatur, signifikant zu verringern.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Dotierststoffkonzentration der Defektbeweglichkeits-Reduzierungssschicht zwischen 1 * 10¹⁹ cm^-3 und 3 * 10¹⁹ cm^-3, bevorzugt zwischen 1 * 10¹⁹ cm^-3 und 2 * 10¹⁹ cm^-3. Ein hohe Dotierstoffkonzentration von mindestens 1 * 10¹⁹ cm^-3 ist wie bereits erwähnt vorteilhaft, um die Defektbeweglichkeit zu minimieren. Andererseits sollte die Dotierstoffkonzentration nicht zu hoch sein, weil sich ansonsten die Morphologie der Defektbeweglichkeits-Reduzierungssschicht nachteilig verändern kann. In diesr Hinsicht ist es vorteilhaft, wenn die Dotierstoffkonzentration nicht mehr als 3 * 10¹⁹ cm^-3 und bevorzugt nicht mehr als 2 * 10¹⁹ cm^-3 beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Dotierststoffkonzentration der Defektbeweglichkeits-Reduzierungssschicht zwischen 1,1 * 10¹⁹ cm^-3 und 1,5 * 10¹⁹ cm^-3.
Die defektmindernde Wirkung der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht lässt sich durch eine Vergrößerung der Dicke noch weiter verbessern. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht mindestens 500 nm dick. Bevorzugt ist die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht mindestens 1000 nm oder besonders bevorzugt sogar mindestens 1500 nm dick.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht einen möglichst großen Abstand von der aktiven Schicht des Halbleiterlasers hat. Der Abstand zwischen der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht und der aktiven Schicht beträgt bevorzugt mindestens 1000 nm, besonders bevorzugt mindestens 1500 nm. In diesem Fall sind Absorptionseffekte durch freie Ladungsträger aufgrund der hohen Dotierstoffkonzentration in der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht vorteilhaft sehr gering. Weiterhin werden typische Laserparameter wie die Steilheit der Laserkennlinie bei einem derart großen Abstand von der aktiven Schicht durch die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht nicht negativ beeinflusst.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Halbleiterlaser ein GaN-Substrat auf. Ein GaN-Substrat zeichnet sich insbesondere durch eine besonders geringe Versetzungsdichte aus. Durch eine verringerte Versetzungsdichte des Substrats entstehen beim Wachstum der Halbleiterschichtenfolge weniger Defekt-Cluster. Bei der Verwendung eines GaN-Substrats lassen sich besonders geringe Defekt-Cluster-Dichten erzielen.
Das Substrat ist vorzugsweise ein n-dotiertes Substrat, insbesondere ein n-dotiertes GaN-Substrat. Insbesondere ist das Substrat vorzugsweise elektrisch leitfähig. Dies hat den Vorteil, dass in dem Substrat eine Stromaufweitung erfolgen kann. Ein elektrischer Kontakt des Halbleiterlasers kann beispielsweise an einer Rückseite des Substrats angeordnet sein. Bei einem ausreichend dicken Substrat, das elektrisch leitend ist, kann auf eine Stromaufweitungsschicht in der Halbleiterschichtenfolge vorteilhaft verzichtet werden und so die Absorption in der Halbleiterschichtenfolge vermindert werden. Das Substrat kann beispielsweise mindestens 100 µm dick sein. Bevorzugt beträgt die Dicke des Substrats zwischen 100 µm und 150 µm. Unter der Dicke des Substrats ist hier die Dicke des Substrats im fertigen Halbleiterlaser zu verstehen. Das Substrat kann bei der epitaktischen Abscheidung der Halbleiterschichten eine größere Dicke, beispielsweise etwa 400 µm, aufweisen und nachträglich gedünnt werden.
Der Halbleiterlaser zeichnet sich vorteilhaft durch eine besonders geringe Defekt-Cluster-Dichte aus, die insbesondere mittels der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht erzielt wird. Defekt-Cluster können insbesondere mittels eines Photolumineszenz-Mikroskops detektiert werden. Defekt-Cluster zeigen sich im Photolumineszenz-Mikroskop als dunkle Flecken und weisen einen Durchmesser von mehr als 1 µm, typischerweise im Bereich von 20 µm bis 40 µm, auf.
Die Defekt-Cluster-Dichte des Halbleiterlasers beträgt vorzugsweise weniger als 200 cm^-2, besonders bevorzugt weniger als 100 cm^-2. Es kann insbesondere eine Defekt-Cluster-Dichte im Bereich von 30 cm^-2 bis 200 cm^-2 erzielt werden. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Halbleiterlaser, der nicht die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften aufweist, kann die Defekt-Cluster-Dichte um etwa einen Faktor 30 verringert werden. Bei einem herkömmlichen Halbleiterlaser kann die Defekt-Cluster-Dichte beispielsweise zwischen 1000 cm^-2 und 5000 cm^-2 betragen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Halbleiterschichtenfolge eine n-seitige Mantelschicht, eine n-seitige Wellenleiterschicht, die aktive Schicht, eine p-seitige Wellenleiterschicht und eine p-seitige Mantelschicht auf. Die Mantelschichten weisen insbesondere ein Halbleitermaterial auf, das eine größere elektronische Bandlücke und einen geringeren Brechungsindex als die Wellenleiterschichten aufweist. Die Mantelschichten können beispielsweise AlGaN und die Wellenleiterschichten InGaN aufweisen. Die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht des Halbleiterlasers ist vorteilhaft zwischen dem Substrat und der n-seitigen Mantelschicht angeordnet.
Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterlasers kann insbesondere auf einem Indium enthaltenden Nitridverbindungshalbleitermaterial basieren. „Auf einem Indium enthaltenden Nitridverbindungshalbleiter basierend“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Indium-haltiges III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise In_xAl_yGa_1-x-yN umfasst, wobei 0 < x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (In, Al, Ga, N), auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 3 näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Halbleiterlaser gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Darstellung der Intensität der optischen Welle bei einem im blauen Spektralbereich emittierenden Halbleiterlaser gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
3 eine schematische Darstellung der Intensität I der spontanen Elektrolumineszenz-Emission bei einer Stromstärke von 400 mA in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für verschiedene Ausführungsbeispiele des Halbleiterlasers mit der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht und Vergleichsbeispiele ohne die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht.

Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
Der in 1 dargestellte Halbleiterlaser 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel weist eine Halbleiterschichtenfolge 9 auf, die einen n-Typ-Halbleiterbereich 3, einen p-Typ-Halbleiterbereich 5 und eine zwischen dem n-Typ-Halbleiterbereich 3 und dem p-Typ-Halbleiterbereich 5 angeordnete zur Emission von Strahlung geeignete aktive Schicht 4 umfasst. Der n-Typ-Halbleiterbereich 3 und der p-Typ-Halbleiterbereich 5 können jeweils aus mehreren Teilschichten 3A, 3B, 5A, 5B, 5C aufgebaut sein und müssen nicht notwendigerweise ausschließlich aus n-dotierten Schichten oder p-dotierten Schichten bestehen, sondern können beispielsweise auch eine oder mehrere undotierte Schichten aufweisen.
Die Halbleiterschichtenfolge 9 weist insbesondere Nitridverbindungshalbleitermaterialien auf. Der auf Nitridverbindungshalbleitermaterialien basierende Halbleiterlaser 10 kann insbesondere zur Emission von Laserstrahlung im blauen oder grünen Spektralbereich vorgesehen sein.
Zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterlasers 10 können beispielsweise eine erste Anschlussschicht 6 auf einem Teilbereich der Oberseite 8 des Halbleiterlasers 7 und eine zweite Anschlussschicht 7 an einer Rückseite des Substrats 1 vorgesehen sein. Der Halbleiterlaser 10 kann dem Fachmann an sich bekannte Ausgestaltungen eines Halbleiterlasers wie reflektierende Schichten an den Seitenfacetten, und/oder eine Strukturierung als Streifenlaser aufweisen. Solche an sich bekannten Details sind hier zur Vereinfachung nicht dargestellt.
Die zur Emission von Laserstrahlung vorgesehene aktive Schicht 4 des Halbleiterlasers 10 ist vorzugsweise als Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur ausgebildet, die eine oder mehrere Barriereschichten 4A und eine oder mehrere Quantentopfschichten 4B aufweist. Die elektronische Bandlücke der mindestens einen Quantentopfschicht 4B ist kleiner als die elektronische Bandlücke der mindestens einen Barriereschicht 4A. Die Anzahl N der Perioden der Quantentopfstruktur beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 1 und einschließlich 5, bevorzugt 1 oder 2. Besonders bevorzugt weist der Halbleiterlaser eine Einfach-Quantentopfstruktur (Single Quantum Well) auf.
Die aktive Schicht 4 des Halbleiterlasers 10 basiert vorteilhaft auf einem Indium enthaltenden Nitridverbindungshalbleitermaterial. Die aktive Schicht 4 kann insbesondere abwechselnde Quantentopfschichten 4B aus In_x1Ga_1-x1N mit 0 < x1 ≤ 1 und Barriereschichten 4A aus In_x2Ga_1-x2N mit 0 ≤ x2 ≤ 1 und x2 < x1 aufweisen. Aufgrund des geringeren Indiumgehalts x2 weisen die Barriereschichten 4A eine größere elektronische Bandlücke als die Quantentopfschichten 4B auf.
Die aktive Schicht 4 des Halbleiterlasers ist vorzugsweise zwischen einer n-seitigen Wellenleiterschicht 3A und einer p-seitigen Wellenleiterschicht 5A angeordnet. Die Wellenleiterschichten 3A, 5A können insbesondere InGaN umfassen. Der von den Wellenleiterschichten 3A, 5A gebildete Wellenleiter ist beispielsweise von einer n-seitigen Mantelschicht 3B und einer p-seitigen Mantelschicht 5B umgeben. Die Mantelschichten 3B, 5B weisen vorzugsweise AlGaN auf. Die Wellenleiterschichten 3A, 5A und/oder die Mantelschichten 3B, 5B können jeweils aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt sein, die zur Vereinfachung hier nicht dargestellt sind. Zwischen der p-seitigen Mantelschicht 5B und der ersten Anschlussschicht 6 ist vorzugsweise eine p-Kontaktschicht 5C angeordnet, die beispielsweise GaN aufweisen kann.
Die Halbleiterschichtenfolge 3, 4, 5 ist auf ein Substrat 1 aufgebracht, wobei zwischen dem Substrat 1 und der Halbleiterschichtenfolge 3, 4, 5 eine Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 angeordnet ist. Die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 ist eine mit Silizium dotierte GaN-Schicht. Die Dotierstoffkonzentration von Silizium in der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht beträgt vorteilhaft mindestens 1 * 10¹⁹ cm^-3. Durch die vergleichsweise hohe Dotierstoffkonzentration in der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 wird die Ausbreitung von Defekten, die vom Substrat 1 ausgehen, vorteilhaft vermindert. Dieser Effekt ist umso stärker, je größer die Dicke D der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 ist. Die Dicke D der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 sollte mindestens 100 nm betragen, wobei größere Schichtdicken aber vorteilhafter sind. Vorteilhaft beträgt die Dicke D der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 mindestens 500 nm und bevorzugt mindestens 1000 nm. Eine besonders gute Reduzierung der Defektdichte lässt sich erzielen, wenn die Dicke D der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 mindestens 1500 nm beträgt.
Das Substrat 1 ist insbesondere ein zum epitaktischen Aufwachsen von Nitridverbindungshalbleitermaterialien geeignetes Aufwachssubstrat. Besonders bevorzugt ist das Substrat 1 ein n-dotiertes GaN-Substrat. Ein GaN-Substrat zeichnet sich vorteilhaft durch eine insbesondere im Vergleich zu Saphirsubstraten sehr geringe Defektdichte aus. Die Defektdichte kann beispielsweise zwischen 5 * 10⁴ cm^-2 und 5 * 10⁶ cm^-2 betragen.
Durch die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 vermindert sich insbesondere die Ausbildung von Defekt-Clustern. Unter „Defekt-Clustern“ sind hier Gruppen von Defekten zu verstehen, die eine lateraler Ausdehnung von mehr als 1 µm, insbesondere im Bereich von 20 µm bis 40 µm, aufweisen. Solche Defekt-Cluster zeigen sich beispielsweise bei einer Untersuchung der Halbleiterschichtenfolge 9 mittels Photolumineszenz-Mikroskopie als dunkle Flecken. Durch die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 lässt sich insbesondere erreichen, dass die Defekt-Cluster-Dichte weniger als 200 cm^-2, bevorzugt weniger als 100 cm^-2, beträgt.
Zur Vermeidung von Absorptionsverlusten in der hoch dotierten Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 weist die aktive Schicht 4 vorzugsweise einen großen Abstand d von der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 auf. Der Abstand d beträgt vorzugsweise mindestens 1000 nm und besonders bevorzugt mindestens 1500 nm.
2 zeigt schematisch den Verlauf der optischen Welle bei einem im blauen Spektralbereich emittierenden Halbleiterlaser gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist die Intensität der optischen Welle in Abhängigkeit von einer von der Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge ausgehenden Ortskoordinate z. Ein Abstand d zwischen der aktiven Schicht und der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 beträgt vorzugsweise mehr als 1,5 µm. In diesem Fall weist die optische Welle im Bereich der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 vorteilhaft nur eine derart geringe Intensität auf, dass Absorptionsverluste vernachlässigbar gering sind.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Intensität I der spontanen Elektrolumineszenz-Emission bei einer Stromstärke von 400 mA in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für verschiedene Ausführungsbeispiele des Halbleiterlasers mit der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (schwarze Punkte) und Vergleichsbeispiele ohne die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (weiße Punkte). Es zeigt sich, dass die Ausführungsbeispiele mit der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (Interpolationslinie 12) im Mittel eine höhere spontane Emission aufweisen als die Beispiele ohne die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (Interpolationslinie 13). Die gemessene spontane Emission ist ein Maß für die Quanteneffizienz der Halbleiterlaser. Es zeigt sich, dass die mittels der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht erzielte geringere Dichte von Defekt-Clustern zu einer erhöhten Quanteneffizienz führen kann. Der Effekt ist umso ausgeprägter, je größer die Emissionswellenlänge ist. Die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht ist deshalb besonders vorteilhaft bei einem Halbleiterlaser, der eine für einen Nitridverbindungshalbleiter-Laser vergleichsweise große Emissionswellenlänge aufweist. Da bei Nitridverbindungshalbleitern die Emissionswellenlänge mit zunehmenden Indiumgehalt in der aktiven Schicht zunimmt, ist die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht besonders vorteilhaft bei aktiven Schichten mit vergleichsweise hohem Indiumgehalt einsetzbar.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht
3: n-Typ Halbleiterbereich
3A: n-seitige Mantelschicht
3B: n-seitige Wellenleiterschicht
4: aktive Schicht
4A: Barriereschicht
4B: Quantentopfschicht
5: p-Typ-Halbleiterbereich
5A: p-seitige Mantelschicht
5B: p-seitige Wellenleiterschicht
5C: p-Kontaktschicht
6: erste Kontaktschicht
7: zweite Kontaktschicht
8: Oberfläche
9: Halbleiterschichtenfolge
10: Halbleiterlaser
11: optische Welle
12: Interpolationslinie
13: Interpolationslinie

Claims

Halbleiterlaser (10), umfassend - ein Substrat (1), - eine auf dem Substrat (1) angeordnete Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2), und - eine auf der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) angeordnete Halbleiterschichtenfolge (9), welche eine aktive Schicht (4) umfasst, wobei die aktive Schicht (4) ein Indium enthaltendes Nitridverbindungshalbleitermaterial enthält, wobei die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) mit Silizium dotiertes In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 0,03 und 0 ≤ y ≤ 0,03 umfasst, eine Dotierstoffkonzentration in der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) mindestens 1 * 10¹⁹ cm^-3 beträgt, und die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) eine Dicke von mindestens 100 nm aufweist.
Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) mit Silizium dotiertes GaN aufweist.
Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dotierststoffkonzentration der Defektbeweglichkeits-Reduzierungssschicht (2) zwischen 1 * 10¹⁹ cm^-3 und 3 * 10¹⁹ cm^-3 beträgt.
Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dotierststoffkonzentration der Defektbeweglichkeits-Reduzierungssschicht (2) zwischen 1 * 10¹⁹ cm^-3 und 2 * 10¹⁹ cm^-3 beträgt.
Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dotierststoffkonzentration der Defektbeweglichkeits-Reduzierungssschicht (2) zwischen 1,1 * 10¹⁹ cm^-3 und 1,5 * 10¹⁹ cm^-3 beträgt.
Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) mindestens 500 nm dick ist.
Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) mindestens 1000 nm dick ist.
Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) mindestens 1500 nm dick ist.
Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) von der aktiven Schicht (4) mindestens 1000 nm beträgt.
Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) von der aktiven Schicht (4) mindestens 1500 nm beträgt.
Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1) ein GaN-Substrat ist.
Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1) n-dotiert ist.
Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Defekt-Cluster-Dichte der Halbleiterschichtenfolge (9) weniger als 200 cm^-2 beträgt.
Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (9) eine n-seitige Mantelschicht (3B), eine n-seitige Wellenleiterschicht (3A), die aktive Schicht (4), eine p-seitige Wellenleiterschicht (5A) und eine p-seitige Mantelschicht (5B) umfasst, und wobei die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) zwischen dem Substrat (1) und der n-seitigen Mantelschicht (3B) angeordnet ist.
Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (9) auf einem Indium enthaltenden Nitridverbindungshalbleitermaterial basiert.