DE2139436A1

DE2139436A1 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE2139436A1
Application number: DE2139436A
Authority: DE
Inventors: Karl Dr Clausecker; Uwe Dr Gnutzmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-08-06
Filing date: 1971-08-06
Publication date: 1973-02-22
Also published as: AU4498072A; AU463179B2; FR2148491B3; DE2164827A1; FR2148491A1; GB1383960A; JPS4826383A; US3872400A

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1

Heilbronn, den 27. Juli 1971 PT-La/nae - HN 71/62

"Halbleiterlaser"

In der heutigen Halbleitertechnik wird im wesentlichen Silizium als Halbleitermaterial verwendet, da die Siliziumtechnologie gut beherrscht wird. Bei einigen Halbleiterbauelementen wie Gunndioden oder Halbleiterlasern ist man jedoch gezwungen, z»B. Galliumarsenid als Halbleitermaterial zu verwenden, da die III-V-Halbleiter besondere Eigenschaften aufweisen, die bei den Elementhalbleitern Germanium und Silizium bis heute noch nicht zu verwirklichen waren« Da* man die Elementhalbleitertechnik wesentlich besser beherrscht als die Verbindungshalbleitertechnik-, v/äre es wünsehenswert, Halbleiterlaser auch auf der Basis von Elementhalbleitern herstellen zu können*

Der Erfindimg liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Halbleiterlaser anzugeben, deren Halbleiterkörper aus Halbleiter-Πι-itprul mit einem indirekten Bandübergang besteht und son it ζ, B, ail·; Germanium ode .iillzinia, Zur Lösung dieser

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SAD

Aufgabe wird bei einem Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper, dessen Halbleitermaterial einen indirekten Bandübergang aufweist, nach der Erfindung vorgeschlagen, daß der Halbleiterkörper derart ausgebildet ist, daß ein absolutes Nebenminimum des Leitungsbandes seines Halbleitermaterial s zur Erzielung direkter optischer Übergänge zum absoluten Maximum des Valenzbandes "verschoben ist« Das absolute Minimum des Leitungsbandes rückt damit bei einem nach der Erfindung ausgebildeten Elementhalbleiter wesentlich näher an die Stelle des Valenzbandmaximums als bei einem bekannten Elementhalbleiter»

Nach der Erfindung ist mindestens ein absolutes Nebenminimum des Leitungsbandes aus dem Randgebiet der Brillouinzone des Kristallgitters zu dessen Zentrum hin\ verschoben. Unter dem Kristallgitter ist das Gitter des Ausgangsmaterials zu verstehen, das noch nicht nach der Erfindung behandelt ist.

Direkte optische Übergänge findet man bis jetzt nur bei Halbleitern wie III-V-Verbindungen, deren absolutes Leitungsbandminimum direkt über dem absoluten Valenzbandma—· ximum im k-Raum (Impulsraum) entsprechend der Figur la liegt. Der Übergang eines Elektrons unter Aussendung

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eines Photons (Lichtwelle) ist dabei ohne Impulsafagabe an ein Phonon möglich« Die Wahrscheinlichkeit für diesen Prozeß ist verhältnismäßig groß. Demgemäß eignen sich Verbindungshalbleiter wie ζ_ΦB. GaAs gut zur Herstellung eines Lasers.

Indirekte optische Übergänge haben dagegen Elementhalbleiter, da bei ihnen das absolute Minimum des Leitungsbandes und das absolute Maximum des Valenzbandes gemäß Figur Ib im k-Raum weit auseinander liegen. Da beim indirekten Übergang drei Teilchen beteiligt sind (Dreierstoß von Elektrpn, Photon und Phonon), ist die Wahrscheinlichkeit dieses Prozesses relativ gering und hängt susätslich von der Phono- · nendichte und somit stark von der Temperatur abo

Die Verwendung von Halbleitermaterialien mit einem indirekten Bandübergang für Halbleiterlaser wird nach der Erfindung dadurch ermöglicht, daß einzelne Seitenminima des Leitungsbandes im Impulsraum an die Stelle des Valenzbandmaximums {V -Punkt) gemäß figur lc verschoben werden«, Dadurch werden im "indirekten Halbleitermaterial" direkte Bandübergänge möglich.

Die Verschiebung eines absoluten Kebenminimuins des Leitungsbandes zum absoluten Maximum des Valenzbandes nach der

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Erfindung wird beispielsweise dadurch erreicht, daß der Halbleiterkörper eine periodische Überstruktur erhalte Unter einer periodischen Überstruktur versteht man eine periodische Änderung der Struktur des Halbleiter uppers«

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Struktur des Halbleiterkörpers in der kristallographischen Richtung eines absoluten Nebenminimums des Leitungsbandes eines Halbleitermaterials periodisch geändert. Die Länge der Periode wird kleiner als die mittlere freie Weglänge der Leitungselektronen im Halbleiterkörper gewählt. Die Amplitude des Potentials der periodischen Struktur wird kleiner als der Bandabstand des Halbleitermaterials gewählt. Das Potential der Struktur ist der energetische Einfluß auf die Elektronen«

Eine periodische Änderung der Struktur des Halbleiterkörpers wird beispielsweise durch unterschiedliche Dotierung oder dadurch erreicht, daß der Halbleiterkörper unterschiedlich mit Kristallbaufehlern wie Versetzungen oder Punktfehlern versehen wird. Die Figur 2 zeigt als Beispiel eine unterschiedliche Dotierung, und zwar enthält der Halbleiterkörper 1 zwei unterschiedlich dotierte Schichten 2 und 3, die periodisch immer wiederkehren· Unter einer

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Periode ist die Breite zweier aufeinanderfolgender Schichten 2 und 3 zu verstehen, d.h» eine Periode ist gleich Ip + lg« Die Struktur des Halbleiterkörpers kann beispielsweise auch durch Legieren periodisch geändert werden« Im Ausführung sb ei spiel der Figur 2 ist in dfesem Fall z«B_e die eine Schicht mit einem Nichthalbleitermaterial legiert, während die angrenzende Schicht reines Halbleitermaterial und nichtlegiert ist» Es können jedoch auch beide Schichten 2 und 3 legiert sein, jedoch in diesem Falle unterschiedliche

Ein Halbleiterlaser mit periodischer Änderung der Struktur des Halbleiterkörpers kann beispielsweise so aufgebaut sein, daß der gesamte Halbleiterkörper den gleichen Leitung styp aufweist und somit kein pn-übergang vorhanden ist. In diesem Falle erhält man einen Halbleiterlaser ohne pnübergang, wie er beispielsweise in der Figur 3 gezeigt ist. Ein solcher Halbleiterlaser ohne pn-übergang wird beispielsweise durch Licht oder einen Elektronenstrahl angeregt*

Die Figur 4 zeigt im Gegensatz dazu einen Halbleiterlaser mit pn-fibergang, bei dem im Gegensatz zum Laser .ohne pn-Ühergang die Elektroden 4 und 5 am Halbleiterkörper 1

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erforderlich sind, da durch einen Halbleiterlaser mit pnübergang ein Injektionsstrom geschickt werden jnuß·

Induzierte Emission von Licht beim Übergang der Elektronen vom Leitungsband des Halbleiters in dessen Valenzband tritt bei beiden Halb 1 ei terl aser typen erst dann auf, wenn die Besetzungsdichte an Elektronen im Leitungsband so hoch ist, daß die Inversionsbedingung ·

F_T -

erfüllt ist (P_L, F_v = Quasi-Ferminiveaus im Leitungs- bzw. Valenzband, h ~f- » Energie eines Lichtquants)· Dies wird bei den zwei oben angeführten Lasertypen auf wesentlich verschiedene Art erreicht» Bei einem Laser ohne pn-übergang (Figur 3) durch Einstrahlen von Licht oder Elektronen auf die Oberfläche des HalbleiterkSrpers« Die einige ,um ψ starke Emissionszone des Laserlichtes liegt in diesem Fall direkt unter der bestrahlten Oberfläche (Figur 3). Bei einem Halbleiterlaser mit pn-übergang erhält man die Inversion dagegen gemäß Figur 4 im Bereich des pn—Überganges einer Diode durch einen Injektionsstrom von Ladungsträgern»

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Bei einem Halbleiterlaser mit pn-übergang wird die Struktur des Halbleiterkörpers vorzugsweise senkrecht zum Verlauf des pn-Überganges periodisch geändert® Gemäß einer Ausführung sform der Erfindung erstreckt sich die periodische Strukturänderung nur auf den Bereich des pn~Überganges_e Die Gesamtlänge der. periodischen Struktur wird bei einem Halbleiterlaser mit pn-Übergsig größer oder gleich der freien Weglänge der Elektronen- jedoch kleiner oder gleich der Ausdehnung des pn-Überganges gewählt»

Eine periodische Struktur ist im allgemeinen nur im laseraktiven Bereich des Halbleiterkörpers erforderliche Unter einem laseraktiven Bereich versteht man bei einem Halbleiterlaser ohne pn-übergang die bestrahlte Oberflächenschicht (Bezugsziffer 6 in Figur 3) und bei einem Halbleiterlaser mit pn-übergang den Bereich des pn-Überganges (Besugsziffer 7 in Figur 4)»

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Claims

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Patentansprüche

/Q.

'Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper, dessen Halbleitermaterial einen indirekten Bandübergang aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper derart ausgebildet ist, daß ein absolutes Nebenrainimum des Leitungsbandes seines Halbleitermaterials zur Erzielung di-™ rekter optischer Übergänge zum absoluten Maximum des Valenzbandes verschoben ist»
2) Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein absolutes Nebenminimum des Leitungsbandes aus dem Randgebiet der BrillouinzDne des ursprünglichen Translationsgitters zu dessen Zentrum hin verschoben ist.
3) Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadizch gekenn-

| zeichnet, daß die Struktur des Halbleiterkörpers periodisch geändert ist.
4) Halbleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des Halbleiterkörpers in der kristallographischen Richtung eines absoluten Nebenminimums des Leitungsbandes seines Halbleitermaterials periodisch geändert isto

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5) Halbleiterlaser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Periode kleiner als die mittlere freie Weglänge der Leitungselektronen im Halbleiterkörper ist«
6) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Potentials der periodischen Struktur kleiner ist als der Bandabstand des Halbleitermaterials»
7) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper zur periodischen Änderung seiner Struktur unterschiedlich dotiert oder unterschiedlich mit Kristallbaufehlern wie Versetzungen oder Punktfehlern versehen ist»
8) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des Halbleiterkör~ pers durch Legieren periodisch geändert ist»
9) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bin 8, darren gekennzeichnet, daß der gea» te HaIbLo.iterkörper den cjLtii-hen Leitungstyp aufweI-:*·*

j ,:^r) 8 O ί- I Π J 5 B
10) Halbleiterlaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen des Halbleiterkörpers nur dicht unter der bestrahlten Oberfläche periodisch geändert ist.
11) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper einen pnübergang aufweist.
12) Halbleiterlaser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des Halbleiterkörpers senkrecht zum Verlauf des pn-Überganges periodisch geändert ist.
13) Halbleiterlaser nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des Halbleiterkörpers nur im Bereich des pn-Überganges periodisch geändert ist·
14) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge der periodischen Struktur größer oder gleich der freien Weglänge der Elektronen, jedoch kleiner oder gleich der Ausdehnung des pn— Überganges ist»
15) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da-■liu < h gekennzeLehne t, daß der HaLb] eiberkörper außerhalb

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des Bereiches des pn-überganges keine periodischen Strukturen aufweist, die kleiner sind als die freie Weglänge der Leitungselektronen«

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