DE10219345B4

DE10219345B4 - Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit Co-Dotierung

Info

Publication number: DE10219345B4
Application number: DE2002119345
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr. Lutgen; Andreas Dr. Orth
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2022-05-01
Also published as: DE10219345A1

Abstract

Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit einer aktiven, Photonen emittierenden Schicht und einer epitaktischen p-dotierten AlGaAs-Deckschicht hoher Querleitfähigkeit zur homogenen Strominjektion in die aktive Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die p-dotierte AlGaAs-Deckschicht Aluminium in einer Konzentration x mit 0 ≤ x ≤ 30% aufweist und mit zumindest zwei verschiedenen p-Dotierstoffen dotiert ist, wobei die Dotierstoffkonzentration des ersten p-Dotierstoffes mehr als 10¹⁹ cm^–3 und die Dotierstoffkonzentration des zweiten p-Dotierstoffes weniger als 10¹⁹ cm^–3 beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit einer aktiven, Photonen emittierenden Schicht und einer epitaktischen p-dotierten AlGaAs-Deckschicht hoher Querleitfähigkeit zur homogenen Strominjektion in die aktive Schicht.
Die Druckschrift GB 2 341 275 A beschreibt einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser (VCSEL) der einen DBR-Spiegel aufweist, bei dem bestimmte Schichten des Spiegels mit zwei verschiedenen p-Dotierstoffen co-dotiert sind. Dabei sind AlGaAs-Schichten mit einem hohen Aluminiumanteil mit Kohlenstoff oder mit Magnesium und Kohlenstoff dotiert, wohingegen AlGaAs-Schichten mit einem niedrigen Aluminiumanteil lediglich mit Magnesium dotiert sind. Aufgrund der Co-Dotierung zeichnet sich der Halbleiterlaser durch einen niedrigen Serienwiderstand und eine niedrige Betriebsspannung aus.
In der Druckschrift US 5,557,627 A ist ein Halbleiterlaser mit einem aktiven Bereich auf InGaAlP-Basis beschrieben, bei dem Kohlenstoff als einziger p-Dotierstoff verwendet wird und Indium-freie Übergangsschichten zur Verbesserung der Ladungsträgerinjektion vorgesehen sind.
Die Druckschrift US 5,018,157 A betrifft einen InP-basierten Laser mit vertikaler Kavität.
In der Druckschrift US 5,568,499 A ist ein Verbindungshalbleiterbauelement beschrieben, bei dem Heteroübergänge mit asymmetrischem Verlauf dafür vorgesehen sind, einen Bragg-Spiegel mit einem verbesserten elektrischen und thermischen Widerstand zu bilden.
Die Druckschrift EP 1 061 563 A2 beschreibt, dass durch die Co-Dotierung einer Halbleiterschicht unerwünschte Effekte wie eine Verringerung der Bandlücke eliminiert werden können.
Für eine homogene Strominjektion in die aktive Schicht eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements, insbesondere eines vertikal emittierenden Halbleiterbauelements, wie einem oberflächenemittierenden Laser mit senkrecht stehendem Resonator (VCSEL, vertical cavity surface emitting laser) ist eine gute Querleitfähigkeit der Epitaxie-Deckschicht erforderlich.
Die Größe der Querleitfähigkeit ergibt sich dabei aus der Dotierstoffkonzentration und der Dicke der Schicht.
VCSELs mit einer Emissionswellenlänge von 850 nm werden vielfach für die Datenkommunikation, beispielsweise für Gigabit Ethernet Anwendungen eingesetzt. Als Epitaxie-Deckschicht wird bei derartigen VCSELs typischerweise hochdotiertes GaAs oder Al_xGa_1-xAs mit x ≤ 0,2 eingesetzt. Als p-Dotierstoff wird dabei insbesondere Zink verwendet. Aufgrund der Absorption der Emissionswellenlänge von 850 nm durch die Deckschicht sollte diese einerseits so dünn wie möglich sein, andererseits noch gut kontaktierbar sein und eine hohe Querleitfähigkeit aufweisen. Für eine typische GaAs:Zn Deckschicht in einem bei 850 nm emittierenden VCSEL ist dann bei einer Schichtdicke von etwa 30 nm eine Dotierstoffkonzentration in der Größenordnung von 10²⁰ cm^–3 erforderlich.
Bei der Dotierung solcher Deckschichten mit Zink kann es innerhalb der ersten Betriebsstunden des Bauelements zu einem Anstieg des Widerstands kommen, der vermutlich auf eine Zink-Passivierung zurückzuführen ist. Der Anstieg findet dabei im wesentlichen innerhalb der ersten 24 Betriebsstunden statt.
In dem Artikel ”Gradual Degradation in 850-nm Vertical Cavity Surface-Emitting Lasers”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 34, No. 10, pp 1963–1969, October 1998 wird von Beobachtungen an künstlich gealterten VCSEL-Bauelementen berichtet, nach denen der Ausfall der Bauelemente auf eine Wanderung von Punktdefekten zur Mitte der Zink-dotierten AlGaAs/AlAs Braggspiegel zurückzuführen sein kann. Die Punktdefekte passivieren die Dotierstoffatome im zentralen Spiegelbereich, erhöhen dort lokal den Widerstand und zwingen dadurch den Strom auf weiter außen liegende Pfade an den Kanten des Bauelements, auf denen er nur wenig zum Laserprozeß beiträgt.
Die Autoren des genannten Artikels geben an, daß offenbar kleine Details des Designs, des Wachstums und der Verarbeitung bestimmen, welcher von mehreren möglichen Ausfallmechanismen dominiert. Zugleich geben sie die Überzeugung Ausdruck, daß die Art des Dotierstoffes für den Ausfallmechanismus nicht wichtig ist. Insbesondere sind sie der Auffassung, daß ein Ersetzen von Zink durch andere p-Dotierstoffe wie Kohlenstoff oder Magnesium, den geschilderten Ausfallmechanismus nicht beseitigt.
Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Halbleiterbauelement anzugeben, das verbesserte Alterungseigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird durch das strahlungsemittierende Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Erfindungsgemäß ist bei einem strahlungsemittierenden Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art die p-dotierte AlGaAs-Deckschicht mit zumindest zwei verschiedenen p-Dotierstoffen dotiert.
Die Erfindung beruht also auf dem Gedanken, durch Verwendung von zwei oder mehr Dotiermaterialien die Vorteile der einzelnen Dotierstoffe zu kombinieren. Entgegen den bisherigen Erwartungen, daß die Art des p-Dotierstoffes auf die Widerstandserhöhung durch Passivierung keinen Einfluß hat, haben die gegenwärtigen Erfinder überraschend gefunden, daß durch den Einsatz zweier verschiedener p-Dotierstoffe der üblicherweise beobachtete Widerstandsanstieg innerhalb der ersten 24 Betriebsstunden des Bauelements vermieden werden kann.
Mit Vorteil ist bei dem erfindungsgemäßen strahlungsemittierenden Halbleiterbauelement vorgesehen, daß die AlGaAs-Deckschicht mit einem ersten p-Dotierstoff dotiert ist, der auf einem Gruppe-III-Platz eingebaut wird, und mit einem zweiten p-Dotierstoff dotiert ist, der auf einem Gruppe-V-Platz eingebaut wird.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements ist vorgesehen, daß die AlGaAs-Deckschicht mit Zink und Kohlenstoff p-dotiert ist. Diese Maßnahme verbindet die gute Kontaktierfähigkeit der Zinkdotierung mit der stabilen Alterung und geringen Diffusivität des Kohlenstoffs.
Ohne an eine bestimmt Erklärung gebunden zu sein, wird vermutet, daß die Passivierung der auf Gruppe-III-Plätzen eingebauten Zinkatome durch die Co-Dotierung der auf Gruppe-V-Plätzen eingebauten Kohlenstoffatome verhindert wird. Ohne Passivierung der Zink-Akzeptoren bleibt dann die bisher beobachtete Widerstanderhöhung aus.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements ist die AlGaAs-Deckschicht so dünn ausgebildet, daß sie für die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung transparent ist.
In vorstehendem Zusammenhang ist bevorzugt, wenn die AlGaAs-Deckschicht eine Schichtdicke von weniger als 50 nm, insbesondere von etwa 30 nm aufweist.
Zweckmäßig ist bei dem erfindungsgemäßen strahlungsemittierenden Halbleiterbauelement die Dotierstoffkonzentration des ersten p-Dotierstoffes mehr als eine Größenordnung, bevorzugt etwa zwei Größenordnungen größer ist als die des zweiten p-Dotierstoffes.
Es wird darüber hinaus als vorteilhaft angesehen, wenn bei dem erfindungsgemäßen strahlungsemittierenden Halbleiterbauelement die Dotierstoffkonzentration des ersten p-Dotierstoffes etwa 10¹⁹ cm^–3 oder mehr beträgt. Besonders bevorzugt ist, wenn die Dotierstoffkonzentration des ersten p-Dotierstoffes etwa 10²⁰ cm^–3 oder mehr beträgt.
Weiter wird als vorteilhaft angesehen, wenn bei dem erfindungsgemäßen strahlungsemittierenden Halbleiterbauelement die Dotierstoffkonzentration des zweiten p-Dotierstoffes etwa 10¹⁹ cm^–3 oder weniger beträgt. Besonders bevorzugt ist, wenn die Dotierstoffkonzentration des zweiten p-Dotierstoffes etwa 10¹⁸ cm^–3 oder weniger beträgt.
Bei einer Co-Dotierung des erfindungsgemäßen strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements mit Zink und Kohlenstoff ist bevorzugt, wenn die AlGaAs-Deckschicht Zink in einer Konzentration von etwa 10²⁰ cm^–3 und Kohlenstoff in einer Konzentration von etwa 10¹⁸ cm^–3 enthält.
Die AlGaAs-Deckschicht enthält Aluminium in einer Konzentration x mit 0 ≤ x ≤ 30%, bevorzugt mit 0 ≤ x ≤ 20%. Der Wert x = 0 bezeichnet eine Deckschicht aus GaAs, die im Rahmen der Erfindung somit ebenfalls unter die allgemeine Bezeichnung AlGaAs fällt.

Claims

Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit einer aktiven, Photonen emittierenden Schicht und einer epitaktischen p-dotierten AlGaAs-Deckschicht hoher Querleitfähigkeit zur homogenen Strominjektion in die aktive Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß die p-dotierte AlGaAs-Deckschicht Aluminium in einer Konzentration x mit 0 ≤ x ≤ 30% aufweist und mit zumindest zwei verschiedenen p-Dotierstoffen dotiert ist, wobei die Dotierstoffkonzentration des ersten p-Dotierstoffes mehr als 10¹⁹ cm^–3 und die Dotierstoffkonzentration des zweiten p-Dotierstoffes weniger als 10¹⁹ cm^–3 beträgt.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die AlGaAs-Deckschicht mit einem ersten p-Dotierstoff dotiert ist, der auf einem Gruppe-III-Platz eingebaut wird, und mit einem zweiten p-Dotierstoff dotiert ist, der auf einem Gruppe-V-Platz eingebaut wird.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die AlGaAs-Deckschicht mit Zink und Kohlenstoff p-dotiert ist.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die AlGaAs-Deckschicht für die von der aktiven Schicht emittierte Strahlung transparent ist.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die AlGaAs-Deckschicht eine Schichtdicke von weniger als 50 nm aufweist.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die AlGaAs-Deckschicht eine Schichtdicke von 30 nm aufweist.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffkonzentration des ersten p-Dotierstoffes mehr als eine Größenordnung größer ist als die des zweiten p-Dotierstoffes.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffkonzentration des ersten p-Dotierstoffes zwei Größenordnungen größer ist als die des zweiten p-Dotierstoffes.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffkonzentration des ersten p-Dotierstoffes 10²⁰ cm^–3 oder mehr beträgt.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffkonzentration des zweiten p-Dotierstoffes 10¹⁸ cm^–3 oder weniger beträgt.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die AlGaAs-Deckschicht Zink in einer Konzentration von 10²⁰ cm^–3 und Kohlenstoff in einer Konzentration von 10¹⁸ cm^–3 enthält.
Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die AlGaAs-Deckschicht Aluminium in einer Konzentration x mit 0 ≤ x ≤ 20% aufweist.