DE19725809C2 - Light-emitting semiconductor component and its use - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein lichtemittierendes Halbleiter bauelement mit mindestens einer aktiven Schicht auf GaInAsP-Basis, insbesondere eine Laserdiode mit einer derartigen quaternären Zusammensetzung mit einer Emissions wellenlänge im Bereich von 700 nm bis 740 nm.The invention relates to a light-emitting semiconductor component with at least one active layer GaInAsP base, especially a laser diode with a such quaternary composition with an emission wavelength in the range of 700 nm to 740 nm.
Laserdioden aus III-V-Verbindungshalbleitern finden breite Anwendungen in den Gebieten der Informationsverarbeitung, der optischen Nachrichtenübertragung und der Sensorik bzw. analytischen Meßtechnik. Während in der Informationsver arbeitung (z. B. CD-Spieler) ein Wellenlängenbereich 800 nm bis 1000 nm und in der optischen Nachrichtenübertragung ein Wellenlängenbereich von 1200 nm bis 1600 nm benutzt wird, besteht in der Meßtechnik ein Interesse an Laserlichtquellen, die den optischen Wellenlängenbereich (einschl. UV- und IR-Strahlen) möglichst vollständig überdecken. Die gegenwärtig kommerziell verfügbaren Bauelemente, die im folgenden beschrieben werden, besitzen jedoch nur Emissionswellenlängen in relativ wenigen, eng begrenzten spektralen Fenstern.Laser diodes made of III-V compound semiconductors are widely used Applications in the fields of information processing, the optical message transmission and sensors or analytical measurement technology. While in the Informationsver processing (e.g. CD player) a wavelength range of 800 nm up to 1000 nm and in optical communication Wavelength range from 1200 nm to 1600 nm is used, there is an interest in laser light sources in measurement technology, covering the optical wavelength range (including UV and IR rays) cover as completely as possible. The currently commercially available components, as follows are described, however, only have emission wavelengths in relatively few, narrowly limited spectral windows.
Es ist bekannt, daß mit dem Materialsystem AlGa(In)As/GaAs in der aktiven, lichtemittierenden Halbleiterschicht in Abhängigkeit von der Zusammensetzung theoretisch eine Handlücke eingestellt werden kann, die Wellenlängen im Bereich von 620 nm bis 890 nm entsprechen. Beschränkungen in Bezug auf den realen Aufbau einer Laserdiode (Anordnung von Barriere schichten) und in Bezug auf die hohe Reaktivität von Aluminium führen jedoch dazu, daß lediglich der Wellenlängenbereich oberhalb 750 nm nutzbar ist. It is known that with the material system AlGa (In) As / GaAs in the active, light-emitting semiconductor layer in In theory, depending on the composition Gap can be set, the wavelengths in the range from 620 nm to 890 nm. Limitations on the real construction of a laser diode (arrangement of barrier layers) and in relation to the high reactivity of aluminum however, only result in the wavelength range above 750 nm can be used.
Bei Laserdioden auf GaInP/GaAs-Basis läßt sich die Bandlücke theoretisch auf 550 nm bis 705 nm einstellen. An der unteren Wellenlängengrenze treten jedoch wiederum Beschränkungen beim realen Aufbau der Laserdiode auf. Es wurden Emissionswellen längen bei etwa 615 nm realisiert (s. Tanaka et al. Electron. Lett. 29, 1864 (1993)). Die obere Wellenlängengrenze (rd. 705 nm) ergibt sich daraus, daß zwar eine Bandlückenverringerung durch Erhöhung des In-Gehaltes erzielt wird, dies aber nur im Rahmen der Erhaltung der Gitteranpassung an das GaAs-Substrat möglich ist. So ist aus C. Geng et al. (Journ. Cryst. Growth 145, 740 (1994)) bekannt, daß eine Gitteranpassung unter Ausbildung einer Druckverspannung bei rd. 10 nm dicken Quantenfilmen bis zu einem In-Gehalt von 64% möglich ist. Diesem Wert entspricht die obere Grenze von rd. 705 nm. Die Druckverspannung beträgt bei einer derartigen Zusammensetzung rd. 1,25%.In the case of laser diodes based on GaInP / GaAs, the band gap can be reduced theoretically set to 550 nm to 705 nm. At the bottom However, wavelength limits in turn have limitations real construction of the laser diode. There were emission waves lengths at around 615 nm (see Tanaka et al. Electron. Lett. 29, 1864 (1993)). The upper wavelength limit (approx. 705 nm) results from the fact that a band gap reduction is achieved by increasing the In content, but only in Framework for maintaining the lattice match to the GaAs substrate is possible. For example, C. Geng et al. (Journ. Cryst. Growth 145, 740 (1994)) known that a lattice match under Formation of compressive stress at approx. 10 nm thick Quantum films up to an In content of 64% is possible. The upper limit of approx. 705 nm. The Compression is with such a composition approx. 1.25%.
Es sind auch Laserdioden auf der Grundlage von GaInAsP/InP bekannt, die für Emissionen im Infrarotbereich eingerichtet sind (s. z. B. JP 56-098889A). Zur Erzielung einer genügend geringen Bandlücke enthält die aktive Schicht bei diesen Laserdioden eine Zusammensetzung mit einem relativ hohen As-Anteil (< 0,4) und einem relativ geringen Ga-Anteil (< 0,4). Diese Zusammen setzungen besitzen als Quantenfilme eine Gitterkonstante, die den Einsatz von InP-Substraten erfordert.They are also laser diodes based on GaInAsP / InP known that are set up for emissions in the infrared range (see e.g. JP 56-098889A). To achieve a sufficiently low Band gap contains the active layer in these laser diodes a composition with a relatively high percentage of As (<0.4) and a relatively low Ga content (<0.4). This together As quantum films, settlements have a lattice constant that requires the use of InP substrates.
Herkömmliche Laserdioden auf der Grundlage der genannten Zusammensetzungen sind mit der für praktische Anwendungen erforderlichen Stabilität und Zuverlässigkeit für den Emissionswellenlängenbereich von rd. 700 nm bis 740 nm nicht verfügbar.Conventional laser diodes based on the above Compositions are for practical use required stability and reliability for the Emission wavelength range of approx. 700 nm to 740 nm not available.
Allerdings werden von D. P. Bour et al. (in IEEE Photonics Technology Letters, 6, 1283 (1994)) Laserdioden auf der Grundlage von InGaAsP/GaAs beschrieben, die zwar eine Laseremission bei 715 nm ermöglichen, jedoch mit den folgenden Nachteilen verbunden sind. Bei den Laserdioden gemäß D. P. Bour et al. wird die interessierende Handlücke so eingestellt, daß die Mischkristallzusammensetzung der aktiven Schicht einen relativ großen As-Anteil (< 0,3) und einen relativ großen Ga-Anteil (< 0,7) enthält. Derartige Schichten sind unter Bildung einer tensilen Verspannung (Zugverspannung) an das GaAs-Substrat angepaßt. Unter diesen Bedingungen zeigen die Laserdioden lediglich TM-polarisierte Emissionen (Emission der TM-Mode). Die Beschränkung auf TM-Moden ist jedoch nachteilig, da die TM-Moden eine schlechte Anpassung an die Schichtform der Laserdioden mit der senkrecht zur Ebene der aktiven Schicht verlaufenden Richtung des Injektionsstromes darstellt. Aufgrund der behinderten Wellenführung der TM-Moden in Laserdioden ist deren Leistungsfähigkeit beschränkt. However, D. P. Bour et al. (in IEEE Photonics Technology Letters, 6, 1283 (1994)) laser diodes on the Basis of InGaAsP / GaAs described, although a Enable laser emission at 715 nm, but with the following Disadvantages are connected. According to the laser diodes D.P. Bour et al. the hand gap of interest becomes like this set that the mixed crystal composition of the active Layer a relatively large proportion of As (<0.3) and one contains a relatively large proportion of Ga (<0.7). Such layers are under tensile stress (tensile stress) matched to the GaAs substrate. Show under these conditions the laser diodes only TM polarized emissions (emission TM mode). However, the limitation to TM modes is disadvantageous because the TM modes poor adaptation to the Layer form of the laser diodes with the perpendicular to the plane of the active layer extending direction of the injection current represents. Due to the handicapped wave guidance of the TM modes their performance is limited in laser diodes.
In der Publikation von J. Hashimoto et al. in "Applied Phy sics Letters", Bd. 58, 1991, S. 879 ff., werden Laserdioden für den sichtbaren Wellenlängenbereich mit Heterostrukturen auf der Basis von AlGaInP/GaInP beschrieben. In der Publika tion von W. Lin et al. in "Journal of Crystal Growth", Bd. 123, 1992, S. 451 ff., wird die Erzeugung von InP/InGaAsP- Heterostrukturen durch organometallische Dampfstrahlepitaxie zur Herstellung von Laserdioden beschrieben. Ferner sind La serdioden auf der Basis von InGaAsP/InAP, die bei 727 nm emittieren und auf GaAs-Substraten durch Flüssigphasenepita xie hergestellt sind, aus der Publikation von K. Wakao et al. in "Applied Physics Letters", Bd. 44, 1984, S. 1035 ff. be kannt.In the publication by J. Hashimoto et al. in "Applied Phy sics Letters ", Vol. 58, 1991, pp. 879 ff., become laser diodes for the visible wavelength range with heterostructures described on the basis of AlGaInP / GaInP. In the audience tion by W. Lin et al. in "Journal of Crystal Growth", Vol. 123, 1992, p. 451 ff., The generation of InP / InGaAsP- Heterostructures through organometallic steam jet epitaxy described for the production of laser diodes. Furthermore, La serDiodes based on InGaAsP / InAP, at 727 nm emit and on GaAs substrates through liquid phase epita xie are produced from the publication by K. Wakao et al. in "Applied Physics Letters", vol. 44, 1984, p. 1035 ff. be knows.
Laserdioden als lichtemittierende Halbleiterbauelemente mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkma len sind aus Publikationen von A. Furaya u. a. in Electronics Letters, Vol. 30, No. 5, 1994, S. 416-417 und in Fujitsu Sci. Techn. J., Vol. 30, No. 2, 1994, S. 162-170 bekannt. Diese La serdioden sind für eine Emission bei 690 nm ausgelegt.Using laser diodes as light-emitting semiconductor components the Merkma specified in the preamble of claim 1 len are from publications by A. Furaya u. a. in Electronics Letters, Vol. 30, No. 5, 1994, pp. 416-417 and in Fujitsu Sci. Techn. J., Vol. 30, No. 2, 1994, pp. 162-170. This La serdiodes are designed for an emission at 690 nm.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleiterheterostruktur für ein verbessertes lichtemittierendes Halbleiterbauelement auf der Grundlage GaInAsP/GaAs anzugeben, das insbesondere eine TE-Moden-Emission im Wellenlängenbereich von 700 nm bis 740 nm besitzt und somit die Bereitstellung einer effektiven und zuverlässigen Laserlichtquelle für die analytische Meßtechnik in diesem bisher nicht verfügbaren Wellenlängen bereich ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Halbleiter heterostruktur mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.The object of the invention is a semiconductor heterostructure for an improved light-emitting semiconductor component based on GaInAsP / GaAs to indicate that in particular a TE mode emission in the wavelength range from 700 nm to 740 nm and thus the provision of an effective and reliable laser light source for analytical Measurement technology in this previously unavailable wavelength area allows. This task is accomplished by a semiconductor heterostructure with the features according to claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention are in the dependent claims.
Die Erfindung basiert auf der Idee, ein quaternäres GaxIn(1-x) AsyP(1-y)/GaAs-System anzugeben, das eine Bandlücke innerhalb des Wellenlängenbereiches von 700 nm bis 740 nm besitzt, dessen As-Gehalt y in der aktiven Schicht so gering ist, daß die aktive Schicht einen homogenen Mischkristall bildet und dessen Ga-Gehalt x entsprechend der Ungleichung x < 0,5 + y/2 und derart gewählt ist, daß die aktive Schicht eine versetzungsfreie, kompressive Verspannung gegenüber dem GaAs-Substrat besitzt.The invention is based on the idea of specifying a quaternary Ga x In (1-x) As y P (1-y) / GaAs system which has a band gap within the wavelength range from 700 nm to 740 nm, whose As content y is so small in the active layer that the active layer forms a homogeneous mixed crystal and whose Ga content x is selected in accordance with the inequality x <0.5 + y / 2 and such that the active layer has a dislocation-free, compressive tension compared to the Has GaAs substrate.
Da die Ausbildung eines homogenen Mischkristalls nur für Zusammensetzungen x, y möglich ist, die außerhalb der Mischungslücke des Gesamtsystems liegen und die Mischungslücke von den Herstellungsbedingungen, insbesondere von der Temperatur bei der Abscheidung des Quantenfilms der aktiven Schicht, abhängig ist (K. Onabe in Jpn. J. Appl. Phys., 21, 797 (1982)), sind die für die praktische Anwendung realisierten Parameter x, y selbst von den Herstellungs bedingungen abhängig.Since the formation of a homogeneous mixed crystal only for Compositions x, y is possible outside of Mixing gap of the overall system and the mixing gap of the manufacturing conditions, in particular of the Temperature at the deposition of the active quantum film Layer, is dependent (K. Onabe in Jpn. J. Appl. Phys., 21, 797 (1982)) are those for practical use realized parameters x, y itself from the manufacturing conditions dependent.
Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, erfolgt vorzugsweise mit einem epitaktischen Abscheidungs verfahren bei einer Temperatur von rd. 600 bis 850°C. Dementsprechend wird für den As-Gehalt ein Wert y < 0,1 bevorzugt.The production of a semiconductor component according to the invention, is preferably done with an epitaxial deposition process at a temperature of approx. 600 to 850 ° C. Accordingly, a value of y <0.1 for the As content prefers.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung können die Parameter x, y beispielsweise die Ungleichungen y < 0,1 und x < 0,3....0, 5 erfüllen.According to preferred embodiments of the invention, the Parameters x, y for example the inequalities y <0.1 and x <0.3 .... 0, 5.
Ein erfindungsgemäß hergestelltes Halbleiterbauelement besitzt die folgenden Vorteile. Die kompressiv verspannten GaInAsP- Systeme besitzen eine TE-polarisierte Emission, deren Wellenlänge im Bereich von 705 nm bis 735 nm in Abhängigkeit von der Zusammensetzung verschiebbar ist. Die Erfindung erlaubt erstmalig, Laserdioden insbesondere für Meßzwecke bereitzustellen, die hinsichtlich der Emissionsstärke und Zuverlässigkeit für praktische Anwendungen, z. B. in der Atomabsorptionsspektroskopie, geeignet sind und in dem genannten, bisher nicht abgedeckten Wellenlängenbereich emittieren.Has a semiconductor device manufactured according to the invention the following advantages. The compressively tensioned GaInAsP Systems have a TE polarized emission, the Wavelength in the range from 705 nm to 735 nm depending is displaceable from the composition. The invention allowed for the first time, laser diodes especially for measuring purposes to provide, in terms of emissivity and Reliability for practical applications, e.g. B. in the Atomic absorption spectroscopy, are suitable and in which mentioned, so far not covered wavelength range emit.
Einzelheiten des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements und des Verfahrens zu Herstellung werden im folgenden unter Bezug auf die Figur beschrieben. Die Figur zeigt einen Schichtaufbau einer Laserstruktur mit einer Emissionswellen länge um 716 nm. Die in der Figur enthaltenen Angaben zur Schichtzusammensetzung und zu den Schichten sind lediglich Beispiele für die Realisierung der Erfindung entsprechend dem folgenden Vorgehen.Details of the semiconductor component according to the invention and The process of making are as follows described with reference to the figure. The figure shows one Layer structure of a laser structure with one emission wave length around 716 nm. The information contained in the figure on the Layer composition and to the layers are merely Examples of the implementation of the invention according to the following procedure.
Im Unterschied zu den oben erläuterten tensil verspannten Mischkristallen nach D. P. Bour et al. mit relativ hohen As-Anteilen und - zur Vermeidung der Mischungslücke - geringen In-Anteilen geht die Erfindung von ternären GaInP-Systemen aus, die bei einem Ga : In-Verhältnis von rd. 1 : 1 eine gute Gitteranpassung an GaAs-Substrate und eine Emission im Bereich von 630 nm bis 690 nm besitzen. Erfindungsgemäß wird ein solches ternäres System nun derart modifiziert, daß durch Hinzunahme von As unter Vermeidung der Mischungslücke und gleichzeitige kompressive Verspannung durch Verringerung des Ga-Gehalts die Bandlücke entsprechend dem gewünschten Wellenlängenbereich verringert wird.In contrast to the tensile tensioned above Mixed crystals according to D. P. Bour et al. with relatively high As proportions and - to avoid the miscibility gap - low The invention is partly based on ternary GaInP systems from a Ga: In ratio of approx. 1: 1 a good one Lattice match to GaAs substrates and an emission in the area from 630 nm to 690 nm. According to the invention such ternary system is now modified so that by Addition of As while avoiding the mixture gap and simultaneous compressive tension by reducing the Ga content the band gap according to the desired Wavelength range is reduced.
Das Halbleiterbauelement gemäß der Figur besitzt beispielsweise eine aktive Schicht 1 der Zusammensetzung GaxIn(1-x)AsyP(1-y) mit x = 0,4 und y = 0,07. Die übrige Schichtstruktur 2, 3 des Halbleiterbauelements gemäß Fig. 1 entspricht im wesentlichen der Struktur herkömmlicher, kurzwellig emittierender GaInP-Strukturen. Breitstreifenlaser mit der dargestellten Schichtstruktur besitzen bei einer Länge von rd. 800 µm und Schwellstromdichten um 480 A/cm2 Emissionswellenlängen von 714 nm (bei 20°C) oder 716 nm (bei 40°C). Pro Breitstreifen- Laserfacette wurde eine Ausgangsleistung bis zu 1,2 W pro Facette erzielt. Diese hohe Ausgangsleistung stellt einen besonderen Vorteil der Erfindung dar.The semiconductor component according to the figure has, for example, an active layer 1 with the composition Ga x In (1-x) As y P (1-y) with x = 0.4 and y = 0.07. The remaining layer structure 2 , 3 of the semiconductor component according to FIG. 1 essentially corresponds to the structure of conventional, short-wave GaInP structures. Wide-strip lasers with the layer structure shown have a length of approx. 800 µm and threshold current densities around 480 A / cm 2 emission wavelengths of 714 nm (at 20 ° C) or 716 nm (at 40 ° C). An output power of up to 1.2 W per facet was achieved per wide-strip laser facet. This high output power represents a particular advantage of the invention.
Weitere Experimente ergaben ähnlich gute Ergebnisse für modifizierte Zusammensetzungen im Rahmen der oben angegebenen Grenzen.Further experiments gave similarly good results for modified compositions within the scope of the above Limits.
Ein Bauelement mit einer aktiven Schicht der genannten Zusammensetzung wird erfindungsgemäß durch ein Epitaxie verfahren hergestellt. Es wird vorzugsweise ein Epitaxie verfahren realisiert, bei dem die Mischungslücke erst bei einem relativ hohen As-Gehalt einsetzt. Es wird vorzugsweise die anorganische metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) angewendet. Da Arsen bei der MOVPE eine außerordentlich hohe Anlagerungs- oder Adsorptionseffizienz besitzt, werden Vorkehrungen zur genauen Steuerung des Arsen-Gehalts innerhalb der genannten Grenzen getroffen. Soll beispielsweise ein Arsengehalt y = 0,1 realisiert werden, so muß der Arsin-Gehalt im Reaktor auf einen Wert unterhalb 1% gehalten werden. Die AsH3-Zufuhr erfolgt daher vorzugsweise aus einem Gasreservoir, das mit einer genügend genau betätigbaren Regeleinrichtung versehen ist. Die Regeleinrichtung ist dazu eingerichtet, kleinste Gasmengen der Größenordnung cm3/min einzustellen.A component with an active layer of the composition mentioned is produced according to the invention by an epitaxy process. An epitaxy process is preferably implemented in which the miscibility gap only begins at a relatively high As content. Inorganic metal organic gas phase epitaxy (MOVPE) is preferably used. Because arsenic has an extraordinarily high accumulation or adsorption efficiency at the MOVPE, precautions are taken to precisely control the arsenic content within the limits mentioned. If, for example, an arsenic content y = 0.1 is to be realized, the arsine content in the reactor must be kept below 1%. The AsH 3 supply is therefore preferably carried out from a gas reservoir which is provided with a regulating device which can be actuated with sufficient accuracy. The control device is set up to set the smallest gas quantities of the order of cm 3 / min.
Die MOVPE wird beipielsweise in einem horizontalen Reaktor mit einem oder zwei 2"-Substraten realisiert. Das Trägergas ist Wasserstoff. Als Quellen werden die üblichen Alkyle Trimethyl aluminium, Trimethylgallium, Trimethylindium für die Metalle bzw. Arsin und Phosphin für die Gruppe-V-Elemente verwendet. Zur n- bzw. p-Dotierung werden Selenwasserstoff (H2Se) bzw. Dimethyl-Zink verwendet. Die MOVPE wird beispielsweise bei einer Substrattemperatur von 720°C und Wachstumsraten von rd. 2 µm/h durchgeführt.The MOVPE is realized, for example, in a horizontal reactor with one or two 2 "substrates. The carrier gas is hydrogen. The sources are the usual alkyls trimethyl aluminum, trimethyl gallium, trimethyl indium for the metals or arsine and phosphine for the group V elements Selenium hydrogen (H 2 Se) and dimethyl zinc are used for n- and p-doping, for example, MOVPE is carried out at a substrate temperature of 720 ° C and growth rates of around 2 µm / h.
Bei der üblichen Prozeßtechnik ist es möglich, aus den epitaxierten Wafern (oder Heterostrukturen) eine Vielzahl von Laserbauelementen (Größenordnung z. B. 200 µm . 800 µm) durch Strukturierungsmaßnahmen (Kontaktlegieren, Ätzen, Sägen, Brechen oder dergl.) zu prozessieren. Die Bauelementstrukturen können z. B. Breitstreifenstrukturen oder Rippenwellenleiter strukturen aufweisen.In the usual process technology, it is possible to use the epitaxial wafers (or heterostructures) a variety of Laser components (order of magnitude e.g. 200 µm. 800 µm) Structuring measures (contact alloys, etching, sawing, Breaking or the like) to process. The component structures can e.g. B. broad stripe structures or rib waveguide have structures.
Erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente werden vorzugsweise zur Herstellung von Laserdioden verwendet, die als Lichtquellen in analytischen oder anderen meßtechnischen Verfahren eingesetzt werden. Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung liegt in der Atomabsorptionsspektroskopie.Semiconductor components according to the invention are preferably used for Manufacture of laser diodes used as light sources in analytical or other metrological processes used become. A preferred application of the invention lies in Atomic absorption spectroscopy.
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| US-Z.: IEEE Photonics Technology Letters, 1994, Vol. 6, No. 11, S. 1283-1285 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19725809A1 (en) | 1998-12-24 |
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