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Die Erfindung betrifft eine Halbleiterschichtenfolge und ein darauf basierendes Halbleiterlaserbauelement auf Basis von Gruppe-III-Nitriden.
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Kantenemittierende Halbleiterlaser im Materialsystem AlGaInN werden seit Jahren z. B. für die Datenspeicherung oder für hochauflösende Laserdrucker eingesetzt. Solche Laser emittieren häufig bei Wellenlängen im Bereich von 405-450 nm. Es sind mit diesen Materialien aber auch Varianten für den ultravioletten Spektralbereich demonstriert worden bzw. befinden sich in der Entwicklung und Laser mit Wellenlängen > 500 nm. Kantenemitter besitzen einen Schichtaufbau, der neben einer Diodenstruktur zur elektrischen Anregung der optischen Emission auch eine laterale optische Wellenführung mittels eines sogenannten Wellenleiters ermöglicht.
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Der Aufbau des Wellenleiters beinhaltet eine untere Mantelschicht, einen darauffolgenden unteren Wellenleiter, eine lichtemittierende Zone, eine obere Wellenleiterschicht und eine obere Mantelschicht. Lichtemittierende Zone und Wellenleiter werden von den oberen und unteren Mantelschichten umschlossen. Zur lateralen Wellenführung ist es notwendig, dass die effektiven (mittleren) Brechungsindizes der Mantelschichten niedriger sind als die der Wellenleiterschichten und der lichtemittierenden Zone. Eine symmetrische Wellenführung bezüglich der horizontalen optischen Achse des Wellelenleiters wird dann erreicht, wenn das Brechungsindexprofil der Schichten ebenfalls symmetrisch zur optischen Achse ist. Die Diodenstruktur wird durch unterschiedliche Dotierung der Halbleiter in den unteren bzw. oberen Mantel- und Wellenleiterschichten realisiert.
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Um bei den Mantelschichten einen niedrigeren Brechungsindex zu erzielen, wird bei den Gruppe-III-Nitriden in der Regel ein aluminiumhaltiges Material wie z. B. AlGaN eingesetzt. Dieses besitzt eine größere Bandlücke als der Wellenleiter aus GaN. Alternativ ist prinzipiell auch das zu GaN gitterangepasste AlInN oder allgemein ein Material im System AlGaInN möglich.
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AlInN weist im Vergleich zu AlGaN jedoch große Probleme in der Dotierbarkeit auf, insbesondere ist eine p-Dotierung bislang nicht geglückt, was es für die obere, typischerweise p-leitende Mantelschicht ungeeignet macht.
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Zudem weisen die ternären Legierungen AlGaN und AlInN eine im Vergleich zu GaN geringe Ladungsträgermobilität auf, was neben der höheren Bandlücke und den damit verbundenen Banddiskontinuitäten, zu einem höheren Serienwiderstand des Bauelements führt.
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Insbesondere führt das meist verwendete AlGaN, durch die Gitterfehlanpassung zum GaN Wellenleiter oder zu einem AlGaN Wellenleiter mit anderer Komposition, zu einer Verspannung der Schichtstruktur und ist dadurch in Dicke und Komposition limitiert. Dies hat zur Folge, dass die Lichtwelle nicht gut im Wellenleiter geführt wird und relativ hohe Verluste durch ein Lecken der Lasermode zum Substrat hin auftreten.
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Eine Alternative zu den üblicherweise verwendeten Heteromaterialien für die Mantelschichten, ist die Verwendung desselben Materials mit einem durch sehr hohe Dotierung veränderten Brechungsindex. Für die Anwendung in Kantenemittern gab es in der Vergangenheit einen Vorschlag, dies mit hoch sauerstoffdotiertem oder siliziumdotiertem GaN zu realisieren. Hier war jedoch die Dotierung im Bereich von 1019 cm-3 Silizium- bzw. Sauerstoffatomen noch relativ gering und damit auch der Brechungsindexsprung. Insbesondere wurde schon bei den Elektronenkonzentrationen im mittleren 1019 cm-3 Bereich eine nennenswerte Lichtabsorption festgestellt, was für lichtemittierende Bauelemente wie Laser zu einer deutlichen Erhöhung des Schwellstroms führen würde.
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Zudem sind solche Schichten nicht bzw. nur schwer mit der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE), dem üblichen Herstellungsverfahren für Verbindungshalbleiter, realisierbar [P. Perlin et al., Proceedings of SPIE, Volume 7953, Novel In-Plane Semiconductor Lasers X; 795301 (2011)]. Solche Schichten wurden dann auch von P. Perlin et al. Appl. Phys. Lett. 95, 261108 (2009) verwendet, um unter einer AlGaN Mantelschicht, also im Bereich zum Substrat hin, die Wellenführung zu verbessern. Hier spielt die Schichtabsorption eine untergeordnete Rolle. Alternativ zu O und Si bietet sich hier speziell für das Wachstum mit der MOVPE die Dotierung mit Germanium an [S. Fritze et al., Applied Physics Letters 100, 122104 (2012)].
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Germanium ist aber auch in der MBE und HVPE mindestens für Ga-haltige Gruppe-III-Nitridschichten vorteilhaft, da es, wenn es auf dem Galliumplatz eingebaut ist, fast dieselben Bindungslängen und -energien aufweist wie Ga und somit das Gitter nicht stört, was vermutlich für die vorteilhaften Eigenschaften der Ge-Dotierung verantwortlich ist. Speziell kann mit Germanium eine hohe Dotierung erzielt werden, welche die optischen Eigenschaften und damit den Brechungsindex stark verändert, wie in Martin Feneberg et al., Physical Review B 90, 075203397 (2014) und in
DE 10 2015 108 875 A1 gezeigt.
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Der erzielbare Brechungsindexsprung reicht prinzipiell aus, um vertikal emittierende Bauelemente mit modulationsdotiertem Braggspiegel zu realisieren wie von C. Berger et al. in Journal of Crystal Growth 440, (2016), S. 6 - 12 gezeigt.
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In der
DE 10 2016 103 852 A1 ein Gruppe-III-Nitrid basiertes Halbleiterbauelement im System AIGalnN mit einem Tunnelübergang offenbart. Der Tunnelübergang kann zwischen einer p-dotierten und einer n-dotierten Schicht entstehen. Weiterhin ist offenbart, dass der Tunnelübergang aus einer mit Mg-dotierten Schicht besteht, die eine Mg-Dotierung im Bereich von 5 × 10
19 cm
-3 aufweist, wobei diese Dotierung in einer Schichtdicke von 5 bis 20nm erreicht wird, und einer mit Germanium n-dotierten Schicht, die eine Ge-Dotierung im Bereich von 10
20 cm
-3 aufweist, wobei diese Dotierung in einer Schichtdicke bis 20nm erreicht wird. Weiterhin wird in der
JP 2010 278 329 A ein Halbleiterlaserbauelement offenbart, wobei gemäß einer Ausführungsform das Halbleiterlaserbauelement ein sogenannter Laser mit verteilter Rückkopplung ist, der Laserlicht einer vorbestimmten Wellenlänge ausgibt. Ein Halbleiterlaserbauelement beinhaltet ein Halbeitersubstrat, welches eine Hauptoberfläche aufweist. Das Halbleitersubstrat (3) bildet zusammen mit einer n-Typ Pufferschicht eine erste n-Typ Halbleitermantelschicht und fungiert als eine niedrige Mantelschicht in Bezug auf Licht, welches innerhalb des Halbleiterlaserbauelements geleitet wird. Zusätzlich weist das Halbleiterlaserbauelement eine n-Typ Pufferschicht, eine aktive Schicht, eine p-Typ Trägerschicht, eine p-Typ Zwischenschicht, eine Beugungsgitterschicht, eine n-Typ Mantelschicht und eine n-Typ Kontaktschicht auf.
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In der US2003/01 16767 A1 wird eine kantenemittierende Laserdiode auf Nitridbasis mit p-n Tunnelübergangsstrominjektion offenbart. Der p-n Tunnelübergang zwischen einer p-Typ Halbleiterschicht und einer n-Typ Halbleiterschicht, liefert Strominjektionen für eine kantenemittierende Nitridbasierte Halbleiterlaserstruktur.
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In der
US 2006/0126688 A1 werden blaue und grüne Laserdioden mit einer Galliumnitrid- oder Indiumgalliumnitrid-Mantellaserstruktur offenbart. Gemäß einer Ausführungsform wird eine zweite III-V Nitridschicht auf oder über einem Substrat gebildet. Die zweite III-V Nitridschicht dient als eine erste Mantelschicht. In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die zweite III-V Nitridmantelschicht eine Siliziumdotierte n-Typ AlGaN Mantelschicht. Der Brechungsindex der Mantelschicht ist typischerweise kleiner als der Brechungsindex einer dritten III-V Nitridschicht, die als Wellenleiterschicht dient.
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Die
DE 10 2015 108 876 B3 offenbart ein Lichtemittierendes Gruppe-III-basiertes Bauelement, das einen Resonator mit mindestens einer Verspiegelung, erzeugt durch Epitaxie einer periodischen Abfolge homoepitaktischer Materialien mit sich unterscheidendem Brechungsindex, eine lichtemittierende Gruppe-III-NitridSchicht oder Schichtenfolge, mindestens eine die Lumineszenz der Gruppe-III-Nitrid Schicht zumindest teilweise umwandelnde Substanz oder weitere Gruppe-III-Nitrid-Schicht aufweist.
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In der
US 2013/ 0 270 514 A1 wird eine Leuchtdiodenvorrichtung offenbart, welche eine erste Diodenstruktur, eine zweite Diodenstruktur auf der ersten Diodenstruktur und einen leitenden Übergang zwischen der ersten Diodenstruktur und der zweiten Diodenstruktur umfasst. Der leitfähige Übergang umfasst eine transparente leitfähige Schicht zwischen der ersten Diodenstruktur und der zweiten Diodenstruktur.
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Weiterhin wird in der
WO 2017/079 168 A1 ein Gruppe-III-Nitrid-Tunnelübergang mit einer modifizierten p-n-Grenzfläche offenbart, wobei die modifizierte p-n-Grenzfläche eine Delta-dotierte Schicht umfasst, um den Tunnelwiderstand zu reduzieren.
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S. Neugebauer et al. zeigten in Applied Physics 110 (2017) 102104 eine Halbleiterschichtenfolge auf der Basis von Gruppe-III-Nitriden, welche für eine LED eine erste Schicht aus mit Silizium n-dotiertem GaN aufweist, auf der eine aktive Multiquantenschicht aus InGaN/GaN aufgewachsen ist. Auf dieser folgt eine 150nm dicke mit Magnesium p-dotierte Schicht aus GaN und eine mit Germanium n-dotierte 100nm dicke GaN-Schicht.
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Ein weiteres Problem konventioneller Laserbauelemente auf Basis der Nitride ist, dass der sogenannte p-Kontakt der Diodenstruktur auf der Oberseite des Bauelements liegen muss, um eine vollflächige Metallisierung der Laserdiode zu ermöglichen.
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Dies ist zwingend notwendig, da es einerseits keine geeigneten, p-dotierten Substrate für die Nitride derzeit gibt und andererseits die laterale Stromausbreitung in p-dotierten Nitridschichten zu einem extrem hohen Serienwiderstand des Bauelements führt. Daher werden typischerweise die obere Mantelschicht sowie die obere Wellenleiterschicht p-leitend ausgelegt.
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Eine ausreichend hohe p-Dotierung, die zu einem niedrigen Serienwiderstand und einem niedrigen Kontaktwiderstand zwischen Metallkontakt und Halbleiterschicht im Bauelement führen würde, ist mit den bekannten p-Dotanden für die Gruppe-III-Nitride nicht oder nur unzureichend realisierbar, speziell wenn es sich um eine Alhaltige Mantelschicht handelt.
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Die Aufgabe besteht nun darin, einen Halbleiterkantenemitter auf Basis der Gruppe-III-Nitride zu realisieren, der eine geringe Lichtabsorption der Mantelschichten aufweist und gleichzeitig das Problem der Leitfähigkeit in den oberen Mantelschichten löst.
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Erfindungsgemäß wird dies gelöst durch eine Halbleiterschichtenfolge nach Anspruch 1 und einem Bauelement nach Anspruch 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Vorgeschlagen wird eine Halbleiterschichtenfolge 1 auf Basis von Gruppe-III-Nitriden mit Gruppe-III-Nitridschichten als erste Mantelschicht (101), einer n-Dotierung aus Germanium und mit einer Elektronenkonzentration > 5×1019 cm-3, und darauf folgend einer ersten (102) und einer aktiven Region (103) folgenden zweiten p-dotierten Wellenleiterschicht (104) und einer darauf folgenden zweiten n-dotierten Mantelschicht (105), wobei ein Halbleitertunnelübergang (106) am Übergang zwischen der p-dotierten Wellenleiterschicht (104) und der zweiten n-dotierten Mantel-schicht (105) vorgesehen ist, mit einer Mg-Dotierung der p-dotierten Wellenleiterschicht (104) zur zweiten n-dotierten Mantel-schicht (105) hin, die auf einer Dicke von mindestens 5nm eine Mg-Dotierung > 3×1019 cm-3 aufweist und einer n-Dotierung mit Germanium der zweiten n-dotierten Mantelschicht (105) oberhalb von 8×1019 cm-3 auf mindestens der ersten auf die p-dotierte Wellenleiterschicht (104) folgenden 10nm,
wobei eine Gitterfehlanpassung der Mantelschichten (101, 105) zu der ersten und der zweiten Wellenleiterschicht (102, 104) weniger als 0.1% beträgt.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Halbleiterschichtenfolge (1) durch die Gitteranpassung zwischen Mantelschicht (101, 105) und Wellenleiterschicht (102, 104) gekennzeichnet ist.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Halbleiterschichtenfolge (1) ein Si-Substrat beinhaltet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Bauelement (2) vorgesehen, welches zumindest eine Halbleiterschichtenfolge (1) umfasst.
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Ein Tunnelübergang zur Verbesserung einer Laserdiode wurde schon von B.P. Yonkee et al., Optics Express 24 (2016), S. 7816-7822 vorgestellt, jedoch befand sich der Tunnelübergang hier über der Mantelschicht in der oberen Deckschicht des Bauelements, weshalb die Mantelschicht konventionell p-leitend ausgelegt wurde. Während bei B.P. Yonkee et al. auf unterschiedliche Wachstumsmethoden zur Realisierung des Tunnelübergangs zurückgegriffen werden musste, bietet sich eine vorteilhafte Kombination von Tunnelübergang und Mantelschicht an. Dabei wird der Tunnelübergang wie in
DE 10 2015 108 875 A1 vorgeschlagen und für LEDs als einfach machbar erwiesene Methode [S. Neugebauer et al., Applied Physics Letters 110, 102104 (2017)] mit einem homoepitaktischen p
+/n
++ Tunnelübergang realisiert.
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Die hierin angegebene Struktur kann vorteilhaft mit einer Wachstumsmethode realisiert werden und gleichzeitig kann die n++ Schicht als hochdotierte Mantelschicht dienen. Diese ist erfindungsgemäß eine homoepitaktisch aufgebrachte Wellenleiterschicht, also aus eine demselben Material bestehende Schicht. Das hochgestellte einfache „+“ bezeichnet dabei eine hoch dotierte Schicht wobei das sogenannte Ferminiveau noch innerhalb der Bandlücke des Halbleiters liegt, während ein doppelt hochgestelltes „+“ eine über der Entartung dotierte Schicht bezeichnet, d. h. hier liegt das Ferminiveau im jeweiligen Band. Eingeschlossen ist auch ein p++/n++Tunnelübergang, jedoch ist dies mittels Magnesiumdotierung nur schwer realisierbar und ein p+/n++ Übergang in den Gruppe-III-Nitriden meist ausreichend.
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Prinzipiell ist solch eine Struktur im gesamten Gruppe-III-Nitridsystem realisierbar, gegenwärtig ist jedoch bei Al-Konzentrationen in AlGaN von über 40 % die n- und p- Dotierbarkeit stark eingeschränkt, so dass eine erfindungsgemäße Struktur nicht mehr zu realisieren ist. Erfindungsgemäße Strukturen im System InGaN, A-IInN oder AlInGaN sind jedoch prinzipiell möglich sofern die Bandlückenenergien bei den letzteren nicht über denen von Al0.4Ga0.6N liegen.
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Gitterangepasst bedeutet im Kontext der Mantelschicht eine Gitterfehlanpassung < 0.1 % zum Wellenleitermaterial, idealerweise liegt der Wert bei < 0.05 %, d.h. es können auch leicht gitterfehlangepasste Materialien zum Wellenleiter eingesetzt werden, wobei die erfindungsgemäße Brechungsindexänderung zu über 50 % durch die Dotierung verursacht wird, also die dotierungsinduzierte Brechungsindexänderung maßgeblich für die Wellenführung ist. Den Wellenleiter bildet dabei derjenige Teil der Schichtstruktur, in dem > 80 % der Lichtintensität geführt wird.
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Wesentliche Vorteile bei der Verwendung von Germanium (Ge) im Gegensatz zum schon beschriebenen Sauerstoff für das Erreichen einer hohen n-Dotierung, und damit für die Realisierung von homoepitaktischen bzw. nur leicht verspannten Mantelschichten, ist die sehr geringe Absorption sichtbaren Lichtes auch bei Dotierstoffkonzentrationen um 1×1020 cm-3 sowie die im GaN erzielbare geringe Störung des Gitters, da Ge in GaN fast identische Bindungslängen und Bindungsenergien wie Ga aufweist.
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Im Vergleich zum Donator Silizium, der sich nicht mit der gebräuchlichsten Schichtabscheidungsmethode der metallorganischen Gasphasenepitaxie oberhalb von ca. 2×1019 cm-3 dotieren lässt [S. Fritze et al., Applied Physics Letters 100, 122104 (2012)], ist ein weiterer Vorteil die Abwesenheit von Stufenversetzungswandern [A. Dadgar et al., Applied Physics Express 4, 011001 (2011)], welches eine unerwünschte Zugspannung verursachen und im Extremfall zum Reißen der Schicht führen kann.
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Eine ideale blaue Laserdiode basiert meist auf einem GaN Puffer bzw. einem GaN Substrat. Insbesondere bei Verwendung eines GaN Substrats ist es vorteilhaft, wenn dieses eine hohe Elektronenkonzentration aufweist und durch die Burstein-Moss Verschiebung einen geringeren Brechungsindex als die GaN Schicht des Wellenleiters aufweist, welcher normalerweise weniger als 1×1019 cm-3 Ladungsträger enthält. Dann wird das hochdotierte Substrat bzw. der Puffer Teil der unteren Mantelschicht des Wellenleiters. In Abhängigkeit vom Brechungsindexsprung zwischen Wellenleiter und Mantelschicht sollte die Dicke der unteren Mantelschicht so gewählt sein, dass kein oder nur ein geringer Teil der Lichtwelle in den Bereich unterhalb der Mantelschicht eintritt.
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Aufgrund der Gitterverspannung von AlGaN-Schichten auf GaN-Pufferschichten bzw. GaN-Substraten und der damit verbundenen Rissbildung, ist der erzielbare Brechungsindexsprung und die zulässige maximale, d.h. rissfreie Schichtdicke in solchen Wellenleiterstrukturen begrenzt und insbesondere geringer als für GaN-Schichten mit hoher Ge-Dotierung sein.
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Höhere Al-Konzentrationen sind aber auch wegen der sich dann verschlechternden Leitfähigkeit, die zu sehr hohen Serienwiderständen des Bauelements führt, nicht vorteilhaft.
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Dennoch ist es denkbar und insbesondere für Laser-Wellenlängen im Bereich der GaN-Absorption vorteilhaft, erfindungsgemäße Wellenleiterstrukturen mit Tunnelübergängen auch mit Al-haltigen Schichten zu realisieren. Der Vorteil einer hohen n-Dotierung ergibt auch hier die Möglichkeit, verspannte und weniger leitfähige Alhaltige Schichten für die Mantelschicht zu vermeiden. Damit eröffnet das erfindungsgemäße Bauelement die Realisierung höherer Al-Konzentrationen der Wellenleiterschicht, wodurch sich Schichtstrukturen mit geringen optischen Verlusten auch bei Wellenlängen herstellen lassen, für die GaN bereits stark absorbiert.
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Wesentlich für eine erfolgreiche Realisierung des Bauelements ist der Einsatz der hoch Ge-dotierten Schicht in der oberen bzw. normalerweise p-dotierten Mantelschicht. Insbesondere diese Schicht ist mit AlGaN nicht einfach zu realisieren, da die p-Leitung mit zunehmendem Al-Gehalt deutlich schwieriger wird. Daher wird häufig eine mit Mg-dotierte AlGaN/GaN Übergitterstruktur verwendet, welche das Problem zwar verringert aber nicht gänzlich löst.
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Ein entarteter p-Halbleiter, der zu einer Veränderung des Brechungsindexes führt, ist in den Gruppe-III-Nitriden bislang nicht gezeigt worden. Jedoch ist dies mit n-dotierten Schichten möglich. Ohne einen Tunnelübergang in der oberen Struktur der Mantelschicht ließe sich ein identischer Aufbau zu herkömmlichen Laserdioden nicht realisieren, da eine Diodenstruktur über den Bereich der lichtemittierenden Zone zwingend erforderlich ist.
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Ein Tunnelübergang erfordert normalerweise auf beiden Seiten einen entarteten Halbleiter wird jedoch durch tiefe Störstellen, Eigendefekte und Verunreinigungen des Gruppe-III-Nitrid Materials erleichtert, da diese ein störstellenassistiertes Tunneln und damit einen geringeren Serienwiderstand des Übergangs ermöglichen. Die Entartung auf der n-Seite ist bei Ladungsträgerkonzentrationen > 3×1019 cm-3 gegeben. Auf der p-Seite lassen sich solch hohe Löcherkonzentrationen durch die tiefe Lage des Magnesiumakzeptors bzw. dessen hoher Aktivierungsenergie nicht einfach realisieren, da hohe Mg-Konzentrationen einerseits zur sogenannten Selbstkompensation als auch zu einer deutlichen Verschlechterung des Material durch die Bildung von Inversionsdomänen führen können.
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Jedoch ist es möglich, in dünnen Schichten deutlich über dieser kritischen Grenze zu dotieren ohne störende Defekte einzubauen.
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Dazu wird die Dotierung mit Mg in einem mindestens 5 nm, ideal 30 nm dicken Bereich der GaN:Mg-Schicht vor dem Übergang zur späteren n-dotierten GaN:Ge Schicht um mindestens 1,5-fach, ideal 2 bis 8-fach über die Mg-Konzentration der darunterliegenden, p-leitenden Schicht erhöht. Dadurch wird die Raumladungszonenbreite verringert und somit die Tunnelwahrscheinlichkeit erhöht bzw. der Serienwiderstand gesenkt. Prinzipiell möglich ist ein erfindungsgemäßer Tunnelübergang auch mit einer etwas höheren Al-Konzentration in der Mantelschicht im Vergleich zum Wellenleiter. Dadurch entsteht an der Grenzfläche durch piezoelektrische Polarisation eine Elektronenanhäufung welche die dotierungsinduzierte Elektronenkonzentration der Mantelschicht an der Grenzfläche erhöht und damit das Ladungsträgertunneln zur p-Schicht begünstigt.
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Durch den möglichen höheren Brechungsindexsprung verbessert sich prinzipiell die Wellenführung was aber bei einem, für hohen Gewinn nicht zu breiten Wellenleiter dazu führt, dass ein Teil der Welle auch bei hoher n-Dotierung der Mantelschicht zum Substrat hin leckt, d. h. dort Verluste auftreten. Diese lassen sich weiter verringern indem eine sogenannte Photonic Band Crystal (PBC) Struktur gewachsen wird. Hier wird im unteren Teil der Mantelschicht diese nicht als zusammenhängende Schicht gewachsen, sondern besteht aus abwechselnd hoch und niedrig dotierten Bereichen.
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Dabei bedeutet hoch eine Elektronenkonzentration oberhalb von 3×1019 cm-3 und niedrig eine Elektronenkonzentration im Bereich von 5×1017 cm-3 bis 1×1019 cm-3. Ideal ist eine Konzentration im Bereich von 5×1017 cm-3 bis 2×1018 cm-3, da sich dann durch Bandlückenrenormalisierung und Burstein-Moss-Verschiebung ein maximaler Brechungsindexunterschied zur hoch dotierten Schicht einstellt und somit ein maximaler Brechungsindexkontrast bei geringem Schichtwiderstand möglich ist.
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Gegenüber dem Stand der Technik wird mit der erfindungsgemäßen Ausführung eine Gruppe-III-Nitrid Laserstruktur ermöglicht, die ohne zum Wellenleiter verspannte bzw. hochverspannte Mantelschichten auskommt und mit der industrieüblichen MOVPE-Methode hergestellt werden kann. Durch den Tunnelübergang reduziert sich zum einen die Gesamtdicke der p-leitenden Schichten, in bisherigen Bauelementen bestehend aus Wellenleiter- und Mantelschicht, welche in der Regel einen relativ hohen Serienwiderstand der Laserdioden verursachen.
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Es ergibt sich zudem eine vorteilhafte Stromverteilung und einfachere Kontaktierung, da die Kontaktwiderstände zu hochleitendem n-Material in der Regel deutlich geringer als zu p-leitenden Schichten sind.
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Die Zeichnungen zeigen in 1 den prinzipiellen Schichtaufbau solch einer Halbleiterschichtenfolge 1 oder einer Laserstruktur und in 2 eine mögliche Ausführungsform solch eines Bauelements 2 bzw. Lasers mit Blick auf eine Facette. In 1 wird auf das Substrat S mit optionalen Pufferschichten 100 eine erste Mantelschicht 101 aufgewachsen. Diese ist erfindungsgemäß n-dotiert und daher auch hoch leitfähig.
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Sofern die darunterliegende Schicht 100 bzw. das gesamte Substrat-Pufferschichtsystem leitfähig sind, kann eine spätere Kontaktierung anstatt von oben wie in 2 gezeigt auch durch das Substrat erfolgen.
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Die Mantelschicht 101 kann im Gegensatz zur hier vereinfachten Zeichnung auch aus einer Abfolge der erfindungsgemäß hoch und niedriger n-dotierten Schichten bestehen. Dadurch lässt sich prinzipiell eine modifizierte breitere Wellenführung erzielen, was eine geringere Divergenz an der Austrittsfacette 107 bzw. 210 zur Folge hat und in PBC Laserkonzepten eingesetzt wird. Auf der Mantelschicht 101 folgt nun die untere Wellenleiterschicht 102 und die aktive Zone 103, bestehend zum Beispiel aus einer Abfolge von mehreren, typischerweise 3 bis 5 InGaN Quantenwells mit jeweils ca. 3 nm Dicke umgeben von einer GaN oder InGaN Barriere, wobei in letzterem Fall der In-Gehalt niedriger als der der Quantenwells ist.
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Direkt nach dem Quantenwellsystem folgt zwischen 103 und 104 bzw. 203 und 204 optional eine AlGaN Injektionsbarriere die meist mit Magnesium dotiert ist. Diese Schicht sorgt für einen Einschluss der Elektronen und verhindert Elektroneninjektion ins p-Gebiet der Wellenleiterschicht 104 und damit Verluste. Die obere Wellenleiterschicht 104 ist p-dotiert und insbesondere auf den letzten 5-30 Nanometern vorzugsweise mit einer höheren Mg-Konzentration dotiert. D. h. eine Mg-Dotierung, die über der für dicke Schichten ohne Defektbildung noch möglichen Werte liegt. Optional kann in diesem Bereich auch eine zusätzliche Dotierung mit tiefe Störstellen erzeugenden Dotanden erfolgen, da diese das beabsichtigte Ladungsträgertunneln durch defektassistiertes Tunneln erleichtern können.
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Direkt anschließend folgt nun die obere erfindungsgemäß n-dotierte Mantelschicht 105 und optional können noch weitere Kontaktierungs- und Deckschichten vorgesehen sein. Die Mantelschichten müssen genauso wenig wie die Wellenleiterschichten 102 und104 symmetrisch aufgebaut sein, erst die Simulation der Gesamtstruktur unter Berücksichtigung der verschiedenen Medien (u.a. Metall, Luft etc.) ermöglicht eine Bestimmung der optimalen Dicke, die eben für die einzelnen Schichten unterschiedlich sein kann.
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2 zeigt eine entsprechende prozessierte Laserdiodenstruktur mit Kontaktierung. Hier sind die Schichten 200-205 analog zu den Schichten 100-105 ausgebildet, zusätzlich sind nun Metallkontakte 206 und 207 aufgebracht, die in diesem Fall beide n-leitende Halbleiterschichten kontaktieren und damit niederohmiger sind als im Fall der Kontaktierung einer p-leitenden Gruppe-III-Nitridschicht. Darauf können dann z. B. jeweils ein oder mehrere Drähte 208, 209 gebondet werden.
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Die in 2 gezeigte Struktur ist eine sogenannte Ridge-Waveguide-Struktur bei der die Licht- und Stromführung durch eine in die Tiefe geätzte Struktur im Gegensatz zu einer planaren Ausführung verbessert wird. Der untere Kontakt kann auch tiefer liegen oder, im Fall eines leitfähigen Substrats bzw. Substrats mit Pufferschichten auch an der Substratunterseite.
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Sofern in der Beschreibung ein spezielles Material genannt wurde, so ist dies auch auf andere Materialkompositionen übertragbar, insbesondere, wenn von GaN die Rede ist auch von Materialien in den Systemen AlGaN, AlInN, InGaN und AlGaInN. Mit eingeschlossen zur beanspruchten Struktur bzw. dem Bauelement ist eine inverse Struktur, also ein Bauelement mit untenliegendem Tunnelkontakt, p-leitenden unteren Wellenleiter und nach der aktiven Schicht die n-leitenden oben liegenden Bereiche.
