DE19535778A1 - Strahlungsemittierende Halbleitervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine strahlungsemittierende Halbleitervorrichtung mit einer oberhalb einem Halbleitersubstrat aus gebildeten aktiven Schicht mit einem p-n-Übergang, in welchem durch Strominjektion Ladungsträgerrekombinationen zur Aussendung einer Strahlung der Emissionswellenlänge λ stattfinden.

Insbesondere zur Einkopplung einer Infrarotstrahlung in Lichtfasern zur Übertragung digitaler Daten sind infrarotlichtemittierende Halbleiterdioden mit einem Wellenlängenbereich von typischerweise 1,3 µm bis 1,55 µm bekannt. Bei der Datenübertragung über sogenannte Gradientenindexfasern sind Infrarot-Leuchtdioden mit einer höheren Einkoppelleistung bei gleichzeitig höheren Datenraten wünschenswert. Hierbei ist es ganz allgemein bekannt, daß ein strahlungsemittierender Oszillator mit der Vakuum-Wellenlänge λ und der Unschärfe dλ bei seiner Strahlungsemission innerhalb einer Kohärenzlänge λk=λ²/dλ in Wechselwirkung mit seiner Umgebung tritt. Da die Kohärenzlänge der Spontanlumineszenz von III-V-Halbleitersendedioden in der Regel lediglich beispielsweise 1,3 µm²/0,14 µm = 12 µm im Vakuum und etwa 3,5 µm im III-V-Material (Brechungsindex des Materials n=3,5) beträgt, spielt die nähere Gestaltung der unmittelbaren Umgebung des Oszillators selten eine Rolle auf die Eigenschaften des Oszillators.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine strahlungsemittierende Halbleitervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine deutliche Erhöhung der spontanen Lumineszenz und eine Verbesserung der Richtwirkung der emittierten Strahlung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine strahlungsemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß der aktiven Schicht der strahlungsemittierenden Halbleitervorrichtung eine für die Emissionswellenlänge λ als Mikroresonator wirkende Schichtfolge zugeordnet ist, welche Schichtfolge aus einer Vielzahl aufeinanderfolgend aufgebrachter Einzelschichten besteht.

Die als Mikroresonator wirkende Schichtfolge kann sowohl zwischen dem Halbleitersubstrat und der aktiven Schicht als auch auf der dem Halbleitersubstrat gegenüberliegenden Seite der aktiven Schicht angeordnet sein.

Durch die der aktiven Schicht zugeordnete Mikroresonatorschicht kann die spontane Lumineszenz der strahlungsemittierenden Halbleitervorrichtung deutlich erhöht und die Richtwirkung der ausgesandten Strahlung verbessert werden. Darüberhinaus schränkt die Mikroresonatorstruktur die Modenvielfalt des emittierten Lichtes auf einen erwünschten Bereich ein. Dabei ist keine vom eigentlichen Laseroszillator bekannte Anregungsschwelle zu erwarten, so daß Intensitätssteigerungen und Rekombinationszeitverkürzungen um annäherend eine Größenordnung möglich sind. Auf diese Weise bietet die erfindungsgemäße strahlungsemittierende Halbleitervorrichtung eine deutlich höhere Einkoppelleistung bei gleichzeitig höheren Datenraten, so daß diese insbesondere bei der Anwendung zur Datenübertragung über Gradientenindexfasern vorteilhaft eingesetzt werden kann.

Dem Prinzip der Erfindung folgend besteht die als Mikroresonator wirkende Schichtfolge aus einer Vielzahl von dünnen Einzelschichten eines ersten Halbleitermaterials und eines zweiten Halbleitermaterials, wobei die Einzelschichten des ersten Halbleitermaterials und des zweiten Halbleitermaterials in einer abwechselnden Reihenfolge beispielsweise epitaktisch aufeinanderfolgend auf dem Halbleitersubstrat aufgebracht sind. Bei einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung, bei der das Halbleitersubstrat bzw. die aktive Schicht mit dem p-n-Übergang aus einem III-V-Halbleitermaterial besteht, weist das erste Halbleitermaterial der Einzelschicht InP und das zweite Halbleitermaterial der Einzelschicht InGaAsP auf. Bei einer 1,3 µm - IRED besitzt die Schichtfolge beispielsweise jeweils zwanzig abwechselnd aufeinanderliegende Schichten von InP mit einer Einzelschichtstärke von 102 nm und InGaAsP mit einer Einzelschichtstärke von 93 nm, wobei die Bandlücke von InGaAsP etwa 1,2 µm beträgt. In Abhängigkeit der Anforderungen an den Reflexionsgrad der Strahlung an der als teilreflektierender Spiegel für die emittierte Strahlung wirkende Schichtfolge kann die Anzahl der abwechselnd aufgebrachten Einzelschichten kleiner oder größer sein. Nach Berechnungen ergibt eine Schichtfolge mit einer Anzahl von zwanzig Einzelschichten eine Reflexionswirkung von etwa 50%, während eine Anzahl von zehn Einzelschichten eine Reflexionswirkung von lediglich 15% ergeben würde.

Bei einer weiterhin bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß auf der der Schichtfolge gegenüberliegenden Seite der aktiven Schicht eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht aufgebracht ist. Hierbei kann vorgesehen sein, daß die elektrisch leitfähige Kontaktschicht eine dünne, insbesondere hochdotierte Halbleiterkontaktierungsschicht und eine hierauf aufgebrachte elektrisch hochleitfähige Kontaktierung aufweist. Die Gesamtstärke der aktiven Schicht plus der hochdotierten Halbleiterkontaktierungsschicht kann in diesem Fall ein geringes Vielfaches, im einfachsten Fall genau einer halben Emissionswellenlänge λ in diesen beiden Materialien zusammen betragen.

Bei einer weiterhin bevorzugten Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß zwischen der aktiven Schicht und der elektrisch leitfähigen Kontaktschicht eine weitere als Mikroresonator wirkende Schichtfolge mit einer Vielzahl von Einzelschichten angeordnet ist. Die zwischen der aktiven Schicht und der elektrisch leitfähigen Kontaktschicht angeordnete weitere Schichtfolge dient als weiterer, zumindest teilreflektierender Vielfachspiegel, auf welchem die dünne hochdotierte Halbleiterkontaktierungsschicht aufgebracht sein kann, worauf die elektrisch hochleitfähige Kontaktschicht aufgedampft, aufgestäubt oder dergleichen aufgebracht sein kann.

Bei dieser Ausbildung der erfindungsgemäßen strahlungsemittierenden Halbleitervorrichtung mit einer ersten Schichtfolge und einer weiteren, zweiten Schichtfolge kann die Gesamtstärke der aktiven Schicht, die gleichzeitig eine Resonatorstrecke zwischen den beiden Spiegelschichten darstellen kann, von Vorteil einem geringen Vielfachen, im einfachsten Fall genau einer halben Emissionswellenlänge, bezogen auf das Material der aktiven Schicht (= λ/2n) entsprechen.

Des weiteren kann vorgesehen sein, daß die Gesamtstärke der aktiven Schicht und der insbesondere hochdotierten Halbleiterkontaktierungsschicht ein Vielfaches der halben Emissionswellenlänge λ, bezogen auf die Materialien der aktiven Schicht und der hochdotierten Halbleiterkontaktierungsschicht, beträgt.

Bei einer weiterhin bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung kann zur Definition des Leuchtfleckes der Emissionsstrahlung vorgesehen sein, daß die wirksame Fläche des Stromüberganges von der elektrisch leitfähigen Kontaktschicht in die aktive Schicht begrenzt ist. Die Eingrenzung des Stromüberganges von der elektrisch leitfähigen Kontaktschicht in die aktive Schicht kann hierbei beispielsweise durch Aufbringen einer Isolationsschicht, vorzugsweise Oxidschicht in dem Bereich, wo kein Stromübergang erfolgen soll, vor der Aufbringung des Kontaktes, oder beispielsweise durch eine leitfähigkeitszerstörende Implantation oder durch Protonenbeschuß in dem Bereich, wo kein Stromübergang erfolgen soll, bewerkstelligt werden, wobei das Gebiet des Leuchtflecks der Emissionsstrahlung mit einer Hilfsmaske, deren Funktion auch ein strukturierter Metall-Teilkontakt übernehmen kann, geschützt ist.

Des weiteren kann von Vorteil vorgesehen sein, daß die elektrisch leitfähige Kontaktschicht aus einer aufgedampften oder aufgesputterten oder dergleichen aufgebrachten elektrisch leitfähigen Schicht oder Schichtfolge besteht. Hierbei kann die elektrisch leitfähige Kontaktschicht aus einem für die Emissionswellenlänge λ weitgehend transparenten Material bestehen, beispielsweise aus einem InSnO-Material.

Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine strahlungsemittierende Halbleiterdiode mit einer 1,3 µm IRED-Schichtfolge mit Resonatorverstärkung der spontanen Lumineszenz gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine strahlungsemittierende Halbleiterdiode mit einem Mikroresonator mit einseitigem Metallspiegel gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 3A und Fig. 3B schematische Ansichten der aktiven Resonatorschicht mit zwei möglichen Abwandlungen.

Bei dem in der schematischen Schnittansicht gemäß Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt die strahlungsemittierende Halbleiterdiode 1 eine auf einem III-V-Halbleitersubstrat 2 aufgewachsene Epitaxieschichtfolge 3 und eine darüber aufgebrachte stark dotierte Kontaktschicht 4, wobei die Epitaxieschichtfolge 3 eine erste Schichtfolge 5, welche für die Emissionswellenlänge λ als teilreflektierender Spiegel wirkt, eine darüber angeordnete aktive Schicht 6, in welcher durch entsprechende Schichtdotierung ein p-n-Übergang 7 lokalisiert ist, und in welcher bei Strominjektion strahlende Ladungsträgerrekombinationen zur Aussendung der Strahlung 8 der typischen Wellenlänge λ stattfinden, sowie einen darüber geschichtet aufgebrachten Vielfachspiegel 9 (zweite Schichtfolge) aufweist. Auf dem Vielfachspiegel 9 ist eine dünne hochdotierte Halbleiterkontaktierungsschicht 10 angeordnet, auf der eine elektrisch hochleitfähige Kontaktierung 11 aufgedampft, aufgestäubt oder dergleichen aufgebracht ist. Die aktive Schicht 6 mit dem p-n-Übergang 7 besteht aus einer InGaAsP-Schicht mit einer Stärke von 1,3 µm. Die erste Schichtfolge besteht aus einer Anzahl von beispielsweise dreizehn übereinander und alternierend aufgebrachter InP-Schichten 12 mit einer jeweiligen Einzelstärke von 102 nm und InGaAsP-Schichten 13 mit einer jeweiligen Einzelstärke von 93 nm. Die Gesamtstärke der ersten Schichtfolge 5 beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel somit etwa 2,55 µm. Die zweite Schichtfolge besteht aus einer Anzahl von beispielsweise 20 übereinander alternierend aufgebrachter InP-Schichten 14 mit einer Einzelstärke von 102 nm und InGaAsP-Schichten 15 mit einer Einzelstärke von jeweils 93 nm. Somit beträgt die Gesamtstärke der zweiten Schichtfolge im dargestellten Ausführungsbeispiel etwa 1,95 µm. Die elektrisch leitfähige Kontaktschicht 4 besitzt eine Gesamtstärke von etwa 1 bis etwa 5 µm. Die aktive Schicht 6 besteht aus 0,19 µm quaternärem InGaAsP mit der Elektrolumineszenzwellenlänge von etwa 1,3 µm. Diese Schicht enthält durch entsprechende Dotierung (mit z. B. 10¹⁸ cm^-3 Si und Zn) auch den p-n-Übergang 7. Die bei dem ersten Ausführungsbeispiel vorgeschlagenen Werte hinsichtlich der Zusammensetzung und Stärke der einzelnen Schichten stellen Beispielwerte dar; in der Praxis wird die Zusammensetzung der Spiegelschichten 5 bzw. 9 mit der kleineren Bandlücke so eingestellt werden, daß die Absorption der Emissionsstrahlung gering genug ist, um den Resonanzverstärkungseffekt nicht aufzuheben, aber andererseits doch ein ausreichender Brechzahlunterschied zur Spiegelschicht mit der höheren Bandlücke gegeben ist.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der zweite Mikroresonatorspiegel durch ein Kontaktmetall 16 im Falle einer substratseitenausstrahlenden Infrarot-Leuchtdiode 1 ersetzt. Das Kontaktmetall 16 wirkt als Metallspiegel und dient auch als p-Kontakt der Diode. Hierbei kann die hohe Kontaktdotierung beispielsweise bereits bei dem Herstellungsschritt der MOVPE in die Oberflächenschicht eingebracht werden. Hierdurch kann eine nachträgliche Kontaktdiffusion eingespart werden.

Als Spiegelschicht 5 käme bei dem zweiten Ausführungsbeispiel hierbei auch eine aufgedampfe elektrisch leitfähige Schichtfolge, welche die emittierte Strahlung kaum absorbiert (beispielsweise InSnO), in Frage.

Die Bezugsziffer 17 und Fig. 2 bezeichnet einen n-seitigen Kontakt mit Fensteröffnung, welche den Austritt der Emissionsstrahlung 8 freigibt.

Für den Fall, daß die dünne aktive Schicht 6 aufgrund der verwendeten Herstellungstechnologie Schwierigkeiten bereitet, könnte die Resonatorschicht (das ist die Schicht oder Schichtenfolge innerhalb der beiden wirksamen Spiegel) auch ein (geringes, das ist beispielsweise ein unter zehn-fach) mehrfaches einer halben Emissionswellenlänge λ/2n sein, so wie es etwa in der Fig. 3B dargestellt ist, wobei n der Brechungsindex des Materials ist. Die Bezugsziffer 18 in Fig. 3B bezeichnet eine Doppelhetereo-Falle (= aktive Schicht mit niederer Bandenergielücke als die angrenzenden Schichten, die auch den p-n-Übergang "enthält").

Claims (17)

1. Strahlungsemittierende Halbleitervorrichtung mit einer über einem Halbleitersubstrat (2) ausgebildeten aktiven Schicht (6) mit einem p-n-Übergang (7), in welchem durch Strominjektion Ladungsträgerrekombinationen zur Aussendung einer Strahlung (8) der Emissionswellenlänge λ stattfinden, dadurch gekennzeichnet, daß der aktiven Schicht der strahlungsemittierenden Halbleitervorrichtung eine für die Emissionswellenlänge λ als Mikroresonator wirkende Schichtfolge (5, 9) zugeordnet ist, welche Schichtfolge aus einer Vielzahl aufeinanderfolgend aufgebrachter Einzelschichten (12, 13; 14, 15) besteht.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einer Vielzahl von Einzelschichten bestehende Schichtfolge (5, 9) aus einer Vielzahl von dünnen Einzelschichten (12, 13; 14, 15) eines ersten Halbleitermaterials und eines zweiten Halbleitermaterials besteht, welche Einzelschichten des ersten Halbleitermaterials und des zweiten Halbleitermaterials in einer abwechselnden Reihenfolge aufeinanderfolgend aufgebracht sind.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleitermaterial der Einzelschicht (12, 14) InP, und das zweite Halbleitermaterial der Einzelschicht (13, 15) InGaAsP aufweist.

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Schichtfolge gegenüberliegenden Seite der aktiven Schicht (6) eine elektrisch leitfähige Kontaktschicht (4) aufgebracht ist.

5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Kontaktschicht (4) eine dünne, insbesondere hochdotierte Halbleiterkontaktierungsschicht (10) und eine hierauf aufgebrachte elektrisch hochleitfähige Kontaktierung (11) aufweist.

6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aktiven Schicht (6) und der elektrisch leitfähigen Kontaktschicht (4) eine weitere als Mikroresonator wirkende Schichtfolge (9) mit einer Vielzahl von Einzelschichten (14, 15) angeordnet ist.

7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtstärke der aktiven Schicht (6) ein geringes ganzzahliges Vielfaches der halben Emissionswellenlänge λ, bezogen auf das Material der aktiven Schicht (6), beträgt.

8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionswellenlänge λ einen Wert von etwa 1,3 µm bis etwa 1,6 µm besitzt, und die Halbleitervorrichtung (1) zur Einkopplung einer Infrarotstrahlung mit der Emissionswellenlänge in eine Lichtwellenleiterfaser dient.

9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitervorrichtung (1) eine strahlungsemittierende Infrarotstrahlungs-Halbleiterdiode mit einem III-V-Halbleitersubstrat (2) darstellt.

10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtstärke der aktiven Schicht (6) und der insbesondere hochdotierten Halbleiterkontaktierungsschicht (10) ein Vielfaches der halben Emissionswellenlänge λ, bezogen auf die Materialien der aktiven Schicht (6) und der hochdotierten Halbleiterkontaktierungsschicht (10), beträgt.

11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der insbesondere hochdotierten Halbleiterkontaktierungsschicht (10) einer halben Emissionswellenlänge λ entspricht und die Stärke der aktiven Schicht (6) einem geringen Vielfachen, im einfachsten Fall genau einer halben Emissionswellenlänge λ, bezogen auf das Material der insbesondere hochdotierten Halbleiterkontaktierungsschicht entspricht.

12. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Fläche des Stromüberganges von der elektrisch leitfähigen Kontaktschicht (4) in die aktive Schicht (6) begrenzt ist.

13. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingrenzung der wirksamen Fläche des Stromüberganges von der elektrisch leitfähigen Kontaktschicht (4) in die aktive Schicht (6) vermittels einer in dem Bereich, wo kein Stromübergang erfolgen soll, aufgebrachten Isolationsschicht, insbesondere Oxidschicht vorgesehen ist.

14. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingrenzung der wirksamen Fläche des Stromüberganges von der elektrisch leitfähigen Kontaktschicht (4) in die aktive Schicht (6) durch einen leitfähigkeitszerstörenden Implantationsbereich oder durch Protonenbeschuß eines Bereiches, wo kein Stromübergang erfolgen soll, vorgesehen ist.

15. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Kontaktschicht (4) aus einer aufgedampften oder aufgesputterten oder dergleichen aufgebrachten elektrisch leitfähigen Schicht oder Schichtfolge besteht.

16. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Kontaktschicht (4) aus einem für die Emissionswellenlänge λ weitgehend transparenten Material besteht.

17. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der elektrisch leitfähigen Kontaktschicht (4) InSnO aufweist.