DE10324264A1 - Quantendrahtemitter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Quantendrahtemitter zum Emittieren optischer Strahlung mittels Intersubbandübergängen von Elektronen innerhalb eines Leitungsbandes oder Löchern innerhalb des Valenzbandes mindestens eines aktiven Schichtbereichs (3a, 3b, 3c) eines Halbleiterbauelementes mit als Heterostruktur ausgebildeten, parallel zueinander angeordneten ersten Schichten (1, 2, 3a, 3b, 3c, 4, 8), wobei mit einem Winkel zu Ebenen der ersten Schichten (1, 2, 3a, 3b, 3c, 4, 8) an einer atomar ebenen Seitenfläche des Halbleiterelementes zweite Schichten (5, 6, 7) angeordnet sind, die mindestens eine für Ladungsträger als Barriere wirkende Sperrschicht (5) und eine mit Ladungsträgern dotierte Schicht (6) umfassen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Quantendrahtemitter zum Emittieren optischer Strahlung mittels Intersubbandübergängen von Elektronen innerhalb eines Leitungsbandes oder Löchern innerhalb des Valenzbandes mindestens eines aktiven Schichtbereichs eines Halbleiterbauelements mit als Heterostruktur ausgebildeten, parallel zueinander angeordneten ersten Schichten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Quantenfilme (Quantenwells) sind eindimensionale Einschlusspotentiale zum Begrenzen der Bewegung freier Ladungsträger. Die Energie der Ladungsträger ist innerhalb derartiger Einschlusspotentiale in sogenannte Subbänder quantisiert, zwischen welchen Übergänge der Ladungsträger zum Emittieren oder Absorbieren von Licht möglich sind. Zweidimensionale Einschlusspotentiale werden als Quantendrähte beschrieben.
• Quantenkaskadenmitter, die üblicherweise durch Intersubbandübergänge Licht emittieren, sind beispielsweise seit 1994 als Quantenkaskadenlaser bekannt. Diese sind in der Regel aus parallel zueinander angeordneten Schichten mit den Materialien Indium-Gallium-Arsenid/Indium-Aluminium-Arsenid (InGaAs/InAlAs), Gallium-Arsenid/Aluminium-Gallium-Arsenid (GaAs/AlGaAs) oder Aluminium-Arsenid/Galium-Antimon (AlAs/GaSb) hergestellt. Im Gegensatz zu konventionellen Halbleiterlichtquellen beruht ihre Wirkungsweise auf strahlenden Übergängen zwischen diskreten Energieniveaus innerhalb einzelner oder miteinander gekoppelter Quantenfilme (Quantenwells). Hierbei finden Ladungsträgerübergänge innerhalb eines Leitungs- oder Valenzbandes statt.
• Typische Lebensdauern für den optisch angeregten Zustand, der einem Subband zugeordnet ist, liegen im Pikkosekundenbereich. Derartige Zeitbereiche werden insbesondere für die Anwendung von Halbleiterbauelementen in der Terabitdatenübertragung benötigt. Sie können basierend auf Intersubbandübergängen in Quantenfilmen im Dauerstrichbetrieb bei Zimmertemperatur funktionieren.
• Derartige Terabitdatenübertragungen erfordern allerdings auch unter anderem eine Abfolge von Lichtimpulsen, die einen Pulsbetrieb derartiger Emitter voraussetzt. Um den Pulsbetrieb zu ermöglichen, ist entweder das Ein- und Ausschalten eines senkrecht zu den Schichtebenenverlauf fließenden Betriebsstromes oder die Verwendung schaltbarer Filter zur Modulation des bei Dauerstrichbetrieb emittierten Lichtes nötig. Im ersten Fall sind in der Regel aufwendige und kostenintensive technische Einrichtungen zum Pulsen der Ströme oder Spannungen notwendig, wobei hier prinzipielle technische Grenzen im High Speed Modulationsbereich vorgegeben sind, da keine Stromquelle im Pikkosekundenbereich gepulst werden kann. Allerdings ist alternativ eine Spannungstaktung denkbar. Im zweiten Fall sind die zur Modulation des Lichtes der Dauerstrich-Lichtquelle angeordneten Filter für eine Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades des Emitters verantwortlich.
• Die Veröffentlichung „GaAs/Al_xGa_1–xAs quantum cascade lasers„, Carlo Sirtori et al in Applied Physics Letters, Vol 73, Nr. 24, vom 14.12.1998 beschreibt ein Quantenkaskadenlaser, der mittels unipolarer Injektion das resonante Besetzen höherer Subbänder und das Ent-leeren niedrigerer Subbänder durchführt. Die Materialzusammensetzung des Quantenkaskadenlasers ist AlGaAs/GaAs, wobei diese Materialien als parallel zueinander ausgerichtete Schichten vorliegen.
• Derartige Schichtbauweisen haben zur Folge, dass aufgrund des Vorhandenseins eindimensionaler Einschlusspotentiale Quantenfilme (Quantenwells) entstehen, wobei die Breite und Tiefe der Einschlusspotentiale und die Größenordnung eines extern angelegten Vorspannungsfeldes die Wellenlänge des zu emittierenden Lichtes bestimmen. Hierbei liegen typische Emissionswellenlängen materialbedingt in einem Spektralbereich von 2 bis 25 μm, der den Bereich des Infrarotlichtes beschreibt. Das Infrarotlicht kann für biologische und medizinische Zwecke, insbesondere für die minimalinvasive Diagnostik verwendet werden.
• Derartige ausschließlich aus parallel zueinander angeordneten Schichten bestehende Halbleiterlaser erfordern für einen Pulsbetrieb die Anordnung zusätzlicher Filter oder das Pulsen der Betriebsspannung beziehungsweise des Betriebsstromes, welches zu den bereits oben erwähnten Nachteilen führt.
• Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Quantendrahtemitter zur Verfügung zu stellen, dessen Pulsbetrieb bei einer einfachen und kostengünstigen Herstellung desjenigen unter Beibehaltung eines hohen Wirkungsgrades möglich ist.
• Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
• Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dass bei einem Quantendrahtemitter zum Emittieren optischer Strahlung mittels Intersubbandübergängen von Elektronen innerhalb eines Leitungsbandes oder Löchern innerhalb eines Valenzbandes mindestens eines aktiven Schichtbereichs eines Halbleiterbauelementes mit als Heterostruktur ausgebildeten, parallel zueinander angeordneten ersten Schichten mit einem Winkel zu deren Verlauf an einer ebenen Seitenfläche des Halbleiterbauelements zweite Schichten angeordnet werden. Diese Schichten umfassen mindestens eine für Ladungsträger als Barriere wirkende Sperrschicht und eine mit Ladungsträgern dotierte Schicht, wobei die Sperrschicht zu der Seitenfläche hingewandt ist und die dotierte Schicht auf der Sperrschicht aufgetragen ist. Derartige ebene Seitenflächen werden als atomar ebene Flächen durch Spaltung der bereits auf einem Substrat gewachsenen ersten Schichten in angewinkelter, vorzugsweise senkrechter Richtung zu ihren Schichtebenen erzeugt. Ein derartiger Spaltungsvorgang kann zur Vermeidung der Verschmutzung der Seitenfläche im Ultrahochvakuum durchgeführt. Auch lithografische Methoden sind zur Schaffung der ebenen Seitenfläche anwendbar.
• Der Winkel zwischen den Ebenen der ersten und zweiten Schichten kann aus einem Bereich von größer als 0° und kleiner als 180° ausgewählt sein. Vorzugsweise wird ein Winkel von 90° als senkrechte Ebenenstellung ausgewählt.
• Durch die Anordnung erster und zweiter Schichten, deren Ebenen vorzugsweise senkrecht zueinander stehen, kann die Ladungsträgerdichte bei konstantem Betriebsstrom des Halbleiterbauelements durch ein zusätzliches elektrisches Feld, dessen Ausrichtung senkrecht zu der Richtung des entlang der Seitenfläche fließenden Betriebsstromes steht, variiert werden. Die diesem elektrischen Feld zugeordnete Spannung ermöglicht ein schnelles Ein- und Ausschalten der Lichtquelle, um vorteilhaft einen Pulsbetrieb mit hohen Pulsraten zu erreichen.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die dotierte Schicht als modulationsdotierte Schicht ausgebildet. Eine derartige Modulationsdotierung führt neben der Zurverfügungstellung von Ladungsträgern zur Schaffung eines zusätzlichen Einschlusspotentials, welches eine räumliche Begrenzung der Ladungsträger im Bereich der atomar glatten Seitenfläche beziehungsweise Kante des Halbleiterbauelements bewirkt.
• Alternativ kann als dotierte Schicht eine mit Ladungsträgern hochdotierte Schicht verwendet werden, die nach ihrer Aufbringung und der Kontaktierung mit einer extern angelegten Spannung als Gate agiert.
• An der ebenen Seitenfläche überlagern sich zwei Einschlusspotentiale, wovon das Erste durch die ersten Schichten und das Zweite durch die vorzugsweise senkrecht dazu angeordneten zweiten Schichten verursacht werden. Auf Höhe einer innerhalb der ersten Schichten angeordneten aktiven Schicht entsteht somit an der Seitenfläche, an welche diese aktive Schicht angrenzt, zur dotierten Schicht der zweiten Schichten hin ein Emissionskanal bestehend aus einem oder mehreren – auch gekoppelten – quantendrahtartigen Zuständen, dessen Verlauf senkrecht zu den Schichtwachstumsrichtungen der ersten und zweiten Schichten ausgerichtet ist.
• Aufgrund der Kontrolle des Emissionsverhaltens des erfindungsgemäßen Quantendrahtemitters mittels eines elektrischen Feldes, welches unabhängig von dem elektrischen Feld des eigentlichen Betriebsstromes und zu ihm senkrecht angeordnet ist, kann nicht nur bei niedrigen Temperaturen ein großer Emissionsspektralbereich vom ultravioletten über das sichtbare und infrarote bis hin zum fernen infraroten Licht abhängig von dem jeweils verwendeten Material für die einzelnen Schichten im Pulsbetrieb abgedeckt werden, Für die Herstellung eines derartigen Quantendrahtintersubbandemitters ist eine Halbleiterepitaxieanlage, in der die einzelnen Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie oder anderen aus dem Halbleiterbereich bekannten Wachstumstechniken mit äußerst geringer Schichtdicke auf ein Substrat und auch die Seitenfläche aufgetragen werden, sowie Standardwerkzeuge für die Prozessierung und Kontaktierung von Halbleiteranschlüssen an das Halbleiterbauelement erforderlich.
• Die ersten Schichten, die auf einem Substrat angeordnet sind, schließen ober- und unterseitig mit einer oberen und einer unteren Kontaktschicht ab, die sich zudem über die zweiten Schichten in einer senkrecht zu deren Schichtebene verlaufenden Richtung erstrecken kann. Auf diese Weise ist die Zuführung des Betriebsstromes zu den zweiten Schichten und damit zu der dotierten Schicht mittels der ober- und unterseitig angeordneten Elektrodenschichten möglich. Alternativ erstrecken sich die Kontaktschichten nur ober- und unterhalb der ersten Schichten unter Ausschluß der Substratschicht bis zu deren stirnseitigen Angrenzung an den Emissionskanal.
• Ein Fluss des Betriebsstromes findet entlang der atomar ebenen Seitenfläche von der oberen zu der unteren Kontaktschicht oder vice versa statt, so dass im Bereich der Seitenfläche ein gezieltes Pumpen des Emitters möglich ist.
• Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Vorteile und Zweckmäßigkeiten sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung zu entnehmen. Hierbei zeigen:
• 1 in einer schematischen Darstellung einen Schichtaufbau des erfindungsgemäßen Quantendrahtemitter;
• 2 in einer schematischen Darstellung den Verlauf der Einschlusspotentiale innerhalb einer aktiven Schicht des Schichtaufbaus des erfindungsgemäßen Quantendrahtemitters, und
• 3 ein Diagramm mit der optischen Intensität des erfindungsgemäßen Quantendrahtemitters in einem bestimmten Wellenzahlbereich.
• 1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Schichtaufbau des erfindungsgemäßen Quantendrahtemitters. Entlang der Kristallachse [001] wird auf einem hoch n-dotierten GaAs-Substrat 1, welches für den späteren Stromanschluss dient, eine GaAs/Al_0,33Ga_0,67As-Quantenkaskadenstruktur mittels einem Molekularbeamepitaxie-Verfahren aufgetragen. Eine derartige Struktur umfasst eine untere und obere Hüll- bzw. Plattierungsschicht (Cladding-Schicht) 2 und 4 und einen dazwischen angeordneten aktiven Schichtbereich 3a, 3b, 3c.
• Nach Fertigstellung eines derartigen Schichtaufbaus wird dieser in situ im Ultrahochvakuum der Wachstumskammer entlang der [110]-Kristallrichtung gespalten.
• Auf der Spaltebene, die eine atomar Planare Seitenfläche des Halbleiterbauelementes darstellt, werden mit der Wachstumsrichtung entlang der y-Achse weitere Schichten wachsen gelassen. Hierbei wird zunächst eine als Barriere wirkende Sperrschicht 5 beziehungsweise Zwischenschicht aus Al_0,33Ga_0,67As mit einer Dicke von 5 – 200 nm angeordnet und anschließend eine dotierte Schicht 6 mit einer n-type Modulationsdotierung auf der Zwischenschicht 5 wachsengelassen. Diese dotierte Schicht 6 schafft ein Einschlusspotential entlang der zweiten Wachstumsrichtung und stellt Elektronen als Ladungsträger den Quantendrähten zur Verfügung.
• Anschließend wird auf der dotierten Schicht 6 eine weitere Sperrschicht als Abschlussschicht 7 aufgetragen.
• Abschließend werden über die gesamte Ober- und Unterseite des Halbleiterbauelements Kontaktschichten 8 zum Anschluss einer Stromquelle 9 mittels Kontaktierungsstellen 10a, 10b angeordnet.
• Die Quantendrähte sind entlang der Seitenfläche aufgrund der Deformierung des Leitungsbandes ausgebildet und erstrecken sich entlang der z-Richtung. Es erfolgt zwar eine Emission des Lichtes in alle Richtungen, jedoch wird durch den erfindungsgemäßen Schichtaufbau eine Laseremission entlang der Quantendrähte entlang der z-Richtung erreicht.
• 2 zeigt den Verlauf der Einschlusspotentiale entlang der aktiven Schicht des erfindungsgemäßen Quantendrahtemitters. Der 2 ist deutlich zu entnehmen, dass zusätzlich zu den entlang der y- und z-Richtung verlaufenden Einschlusspotentialen ein senkrecht dazu verlaufendes, sich in x- und z-Richtung erstreckendes Einschlusspotential bei 5000 Angström auf der y-Achse besteht. Diese lokale Energieerniedrigung entsteht aus einer Potentialverbiegung im Leitungsband. Die Quantendrähte sind eine Folge de Überlagerung beider Potentiale.
• In 3 wird in ein Emissionsspektrum des erfindungsgemäßen Quantendrahtemitters dargestellt, in dem dessen optische Intensität gegen die Wellenzahl aufgetragen ist. Der 3 ist deutlich zu entnehmen, dass bei einer Wellenzahl von ca. 1200 cm^–1 ein stark lokal begrenztes Intensitätsmaximum besteht. Hierbei wurde eine an dem Quantendrahtintersubbandemitter angelegte Spannung von 19,8 V und mit einer Stromstärke von 370 mA bei einer Temperatur von 20K verwendet.
• Des Weiteren ist mittels des erfindungsgemäßen Quantendrahtemitters eine Erhöhung des Wirkungsgrades beziehungsweise der Umwandlungseffizienz des Betriebstromes in emittierendes Licht gegenüber Quantenfilmintersubbandemittern möglich. Der physikalische Grund hierfür ist die Umwandlung von Intersubbandemittern bestehend aus zweidimensionalen Elektronensystemen, wie sie bisher existierten, zu Emittern, die eindimensionale Ladungsträgersysteme aufweisen.
• Sämtliche Merkmale und Teile sind als erfindungswesentlich anzusehen. Es ist die Ausbildung des erfindungsgemäßen Quantendrahtemitters als Quantendrahtkaskadenlaser mit entsprechender Schichtstruktur denkbar. Ein derartiger Laser hätte deutlich verbesserte Emissionseigenschaften in Gegensatz zu derjenigen einer vergleichbaren bisher verwendeten Schichtstruktur eines Halbleiterbauelementes. Ebenso ist die Ausbildung des Quantendrahtemitters als Quantendrahtintersubbanddetektor oder als lichtemittierender Feldeffekttransistor denkbar.

1

Substrat

2,4

Claddingschichten

3a, 3b, 3c

aktiver Schichtbereich

5

Zwischenschicht

6

dotierte Schicht

7

Wellenführungsabschlussschicht

8

Elektrodenschicht

9

Betriebsstrom

10a, 10b

Elektrodenanschlüsse

11

Emissionsrichtung und Quantendrahtausrichtung

12

Betriebsstromverlauf entlang der Seitenfläche

Claims (11)

1. Quantendrahtemitter zum Emittieren optischer Strahlung mittels Intersubbandübergängen von Elektronen innerhalb eines Leitungsbandes oder Löchern innerhalb eines Valenzbandes mindestens eines aktiven Schichtbereichs (3a, 3b, 3c) eines Halbleiterbauelementes mit als Heterostruktur ausgebildeten, parallel zueinander angeordneten ersten Schichten (1, 2, 3a, 3b, 3c, 4, 8) dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Winkel zu Ebenen der ersten Schichten (1, 2, 3a, 3b, 3c, 4, 8) an einer ebenen Seitenfläche des Halbleiterbauelementes zweite Schichten (5, 6, 7) mit ihren Ebenen angeordnet sind, die mindestens eine für Ladungsträger als Barriere wirkende Sperrschicht (5) und eine mit Ladungsträgern dotierte Schicht (6) umfassen.
2. Quantendrahtemitter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Seitenfläche eine im Ultrahochvakuum durch Spaltung der ersten Schichten (1, 2, 3a, 3b, 3c, 4, 8) in einem Winkel zu ihren Schichtebenen erzeugte atomar ebene Fläche darstellt.
3. Quantendrahtemitter nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Schichten (5, 6, 7) mit dem Winkel aus einem Winkelbereich von größer als 0° und kleiner als 180°, vorzugsweise im wesentlichen senkrechten zu den ersten Schichten verlaufen.
4. Quantendrahtemitter nach einem der Ansprüche 1 – 3 dadurch gekennzeichnet, dass die dotierte Schicht (6) eine modulationsdotierte Schicht ist.
5. Quantendrahtemitter nach einem der Ansprüche 1 – 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dotierte Schicht eine als Gate wirkende hochdotierte Schicht ist, die mit einer externen Spannungsversorgungsquelle verbunden ist.
6. Quantendrahtemitter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen quantendrahtartig ausgebildeten Emissionskanal im Grenzbereich zwischen dem ersten aktiven Schichtbereich (3a, 3b, 3c) und der seitlich daran angrenzenden zweiten Schichten (5, 6, 7) zum Emittieren von Emissionsstrahlung (11).
7. Quantendrahtemitter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine obere und eine untere Kontaktschicht (8), die die jeweils oberste beziehungsweise unterste abschließende Schicht der ersten Schichten (1, 2, 3a, 3b, 3c, 4, 8) bilden und sich über die zweiten Schichten (5, 6, 7) in einer senkrecht zu deren Schichtebenen verlaufenden Richtung erstrecken.
8. Quantendrahtemitter nach Anspruch 6 oder 7 , gekennzeichnet durch eine obere und eine untere Kontaktschicht, die entlang der Ebenen der ersten Schichten (1, 2, 3a, 3b, 3c, 4, 8) bis zum Emissionskanal verlaufen.
9. Quantendrahtemitter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschichten (8) zum Anschluss der Spannungsversorgungsquelle dienen.
10. Quantendrahtemitter nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromfluss entlang der ebenen Seitenfläche von der oberen zu der unteren Kontaktschicht (8) oder vice versa stattfindet.
11. Quantendrahtemitter nach einem der Ansprüche 6 – 10 gekennzeichnet durch mittels der Orientierung der ersten und zweiten Schichten (1, 2, 3a, 3b, 3c, 4, 8; 5, 6, 7) erzeugte, überlagerte Einschlusspotentiale für Ladungsträger zur Erzeugung des quantendrahtartig ausgebildeten Emissionskanals senkrecht zu den Verläufen der Ebenen der ersten und zweiten Schichten (1, 2, 3a, 3b, 3c, 4, 8; 5, 6, 7)