DE3344138A1

DE3344138A1 - Optoelektronisches bauelement, insbesondere eine laserdiode oder eine leuchtdiode

Info

Publication number: DE3344138A1
Application number: DE19833344138
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Phys. 7800 Freiburg Ennen; Jürgen Prof. Dipl.-Phys. Dr. 7815 Kirchzarten Schneider
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1982-12-11
Filing date: 1983-12-07
Publication date: 1984-06-14

Description

BESCHREIBUNG
Optoelektronisches Bauelement insbesondere eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Bauelement, insbesondere eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode, mit einem Halbleiterkristall, das einen zwischen einer ersten Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps und einer zweiten Schicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps einen in Flußrichtung belastbaren pn-Übergang aufweist, in dem beim Anlegen einer Spannung Ladungsträger unter Aussendung von Strahlung rekombinieren.
Bei derartigen Halbleiterlasern wird die Tatsache ausgenutzt, daß beim Übergang eines Elektrons aus dem Leitungsband in einen freien Platz des Valenzbandes ein Lichtquant ausgesandt wird, wobei die Wellenlänge des ausgesandten Lichtes dem Energieabstand der beiden Bänder entspricht. Solche Übergänge in Halbleiterlasern sind vor allem bei den III-V-Halbleiterverbindungen beobachtet worden, nicht dagegen bei Germanium und Silizium.
Die Erzeugung von Ladungsträgern wie Elektronen und Löchern kann durch intensive Lichteinstrahlung, durch Beschuß mit energiereichen Teilchen oder durch Injektion von Elektronen und Löchern in den pn-Übergang von Halbleiterdioden erfolgen. Besondere praktische Bedeutung hat dabei das Injektionsverfahren erlangt.
Die Halbleiterdiode, deren prinzipieller Aufbau bei einer Laserdiode und einer Leuchtdiode im wesentlichen gleich ist, wird meist in Form eines kleinen Quaders hergestellt, dessen Abmessungen in der Größenordnung von 1 mm3 liegen. Die Dicke der aktiven Zone, d.h. des optisch aktiven Bereiches, beträgt üblicherweise einige #m. Bei einer Laserdiode ist zwischen den senkrecht zum pn-Übergang verlaufenden parallelen Endflächen ein optischer Resonator ausgebildet.
Bei den bekannten Leuchtdioden oder LEDs und Halbleiterlasern aus binären III-V Verbindungen ist die Wellenlänge der Lichtemission durch den Bandabstand von beispielsweise GaP, GaAs oder InP, festgelegt. Jede Halbleiterverbindung emittiert nach Anregung somit Licht einer charakteristischen Wellenlänge, die nur geringfügig von der Temperatur abhängt. Bei Galliumarsenid beträgt die Wellenlänge des emittierten Lichtes etwa 0,89 um.
Durch das Mischungsverhältnis der bei ternären III-V Verbindungen beteiligten Komponenten kann der Bandabstand und damit die Emissionswellenlänge definiert eingestellt werden. Bei solchen ternären III-V Verbindungen handelt es sich beispielsweise um Gal~xAlxAs, Ga1 # In, As und GaASl~xPx. Entsprechendes gilt für quarternäre III-V Verbindungen, wie beispielsweise Gal,xI"xAsl,yPy~ Einer der wesentlichsten Nachteile dieser ternären und quarternären III-V Bauelemente besteht darin, daß für jede Wellenlänge eine neue Verbindung geschaffen werden muß und dabei auch die Entwicklung vollständig neuer Herstellungstechnologien erforderlich ist. Insbesondere ergeben sich Schwierigkeiten bei den epitaktischen Aufwachsprozessen, den Dotierungstechniken, der Kontakttechnologie sowie anderer Verfahrensschritte der Diodenherstellung.
Festkörperlaser, bei denen Isolatoren als Wirtskristall für die Laser-aktiven Ionen dienen, müssen optisch gepumpt werden. Ein häufig verwendetes Material ist synthetisch hergestellter Rubin, der mit dreiwertigen Chromionen dotiert ist. Als aktive Ionen sind jedoch bereits auch Lanthanide (4f-Ionen) verwendet worden.
Von besonderem Interesse für die Glasfaser-Kornmunikation sind wegen des Nulldurchgangs der Dispersion die Wellenlänge von 1,3 um und wegen des Minimums der Dämpfung die Wellenlänge von 1,55 um. Da mit binären III-V Verbindungen diese Emissionswellenlängen nicht bereitgestellt werden können, müssen entsprechende Mischungsverhältnisse bei ternären oder quaternären III-V Verbindungen bestimmt und eingehalten werden.
Dadurch ergeben sich komplizierte Herstellungstechnologien.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Bauelement zu schaffen, dessen vorherbestimmte Wellenlänge auf einfache Weise reproduzierbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Laserdiode oder einer Leuchtdiode der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Halbleiterkristall mit einem Lanthanid dotiert ist.
Die Emissionswellenlänge eines solchen Bauelementes ist nicht mehr vom Bandabstand des Wirtskristalls, sondern von den Eigenschaften des jeweils bei der Dotierung verwendeten Lanthanids abhängig. Auf diese Weise kann durch die Dotierung eines Halbleiterkristalls mit Lanthaniden bei einer Leuchtdiode inkohärente und bei einer Laserdiode kohärente Strahlung erhalten werden, die langwelliger liegt als der Bandabstand des Wirtskristalls, wobei die Wellenlänge des ausgestrahlten Lichts primär durch das 4f-Ion bzw. Lanthanid und nicht durch den Bandabstand des Halbleiters bestimmt ist.
Grundsätzlich können alle Lanthanide sowie alle bisher bei Halbleiterlasern verwendeten Halbleiterkristalle eingesetzt werden. Für die Anwendung bei der Glasfaser-Kommunikation ist jedoch eine Dotierung mit Erbium vorteilhaft, da auf diese Weise eine Emissionswellenlänge von 1,54 um erhalten wird. Als Halbleiterkristall kann beispielsweise eine binäre III-V Verbindung verwendet werden, deren Bandabstand größer als die Emissionswellenlänge des Erbiums ist. Auf diese Weise gelingt es, durch Einbauen von 4f-Ionen in einen binären Halbleiter, bei dem die Wellenlänge der Emission bisher durch den Bandabstand vorgegeben war, diesen mit einer Wellenlänge strahlen zu lassen, die größer als der Bandabstand ist.
Es ist somit nicht mehr nötig, auf ternäre oder quarternäre III-V Verbindungen zurückzugreifen, um vorbestimmte Wellenlängen durch Einstellen von Mischungsverhältnissen zu erzielen.
Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Halbleiterkristall Silizium oder Germanium, für die die Halbleitertechnologie bereits weit entwickelt sind. Mit der Erfindung ist es somit einerseits möglich, eine Reihe von den einzelnen Lanthaniden zugeordneten festen Emissionswellenlängen ohne Mischung verschiedener Halbleitermaterialien bereitzustellen und andererseits ist es möglich, die bisher für Halbleiterlaser nicht verwendbaren Materialien Silizium und Germanium einzusetzen.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt und zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Laserdiode.
Die Laserdiode besteht aus einem quaderförmigen Kristall 1 mit einer ersten Schicht 2 vom p-Typ und einer zweiten Schicht 3 vom n-Typ. Zwischen den Schichten 2 und 3 befindet sich ein pn-Übergang 4.
Die nach außen vom pn-Übergang 4 wegweisenden Flächen 5, 6 sind chemisch poliert und zur Kontaktierung mit Metallschichten 7, 8 überzogen. Über Anschlußleitungen 9 wird die in der Zeichnung dargestellte Diode mit einer in Durchlaßrichtung gepolten Gleichstromquelle verbunden, um durch Injektion von Elektronen und Löchern in den pn-Übergang Licht zu erzeugen.
In Abhängigkeit von den Stromverhältnissen und den im rechten Winkel zum pn-Übergang 4 verlaufenden Seitenflächen wird inkohärente oder kohärente Strahlung erzeugt. Kohärente Laserstrahlung ergibt sich, wenn ein Laser-Resonator dadurch gebildet wird, daß die rechtwinklig zum pn-Übergang 4 verlaufenden Endflächen 10 und 11 teilreflektierend gespaltene Kristallflächen sind. Die Endflächen 10 und 11 sind dann zwei sehr gute planparallele glatte Flächen und bilden einen Fabry Perot Resonator. Die nach vorne und hinten weisenden Seitenflächen 12, 13 sind aufgerauht, um Laser Emission in diesen Richtungen zu verhindern. Abgesehen vom Fabry Perot Resonator ist der Aufbau einer Leuchtdiode ähnlich dem oben beschriebenen Aufbau eines Diodenlasers.
Wird an die oben beschriebene Anordnung Strom in Durchlaßrichtung angelegt, so werden Ladungsträger in den optisch aktiven Bereich beiderseits des pn-Übergangs injiziert, die unter Aussendung von Strahlung rekombinieren, wobei oberhalb einer gewissen Schwelle die durch Pfeile 14 veranschaulichte Laserstrahlung emittiert wird.
Der Kristall 1 ist aus Silizium, Germanium oder einer III-V Verbindung, wie GaP, InP oder GaAs, hergestellt.
Neben Silizium, Germanium und binären III-V Verbindungen können auch ternäre oder quarternäre III-V Halbleiter verwendet werden. Insbesondere kommen Gal~xAlxAs, GaAsl~xPx, Gal~xInxAs oder Gal~,In,Asl~yPy mit 0 # x # 1 und 0 G y # 1 in Frage. Gemäß der Erfindung werden die vorstehend erwähnten Halbleiter durch geeignete Dotierung mit einem oder mehreren Lanthaniden bzw. 4f-Ionen hergestellt. Dabei wird Silizium beispielsweise während seines Wachstums - aus dem Tiegel bzw. aus der Zone, epitaktisch (Gasphasenepitaxie, Flüssigphasenepitaxie) oder nach dem Molekularstrahlepitaxie-Verfahren - mit den Lanthaniden dotiert, so daß die 4f-Ionen anschließend homogen im ganzen Kristall verteilt sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß man die 4f-Ionen in Silizium implantiert.
Eine p- bzw. n-leitende Schicht kann entweder mittels Diffusion oder Implantation von Akzeptoren oder Donatoren hergestellt werden.
Die Dotierung von kristallinen III-V Verbindungen mit einem oder mehreren Lanthaniden ist während ihres Wachstums durch mehrere Verfahren möglich. Beispielsweise durch LEC (Liquid Encapsulated Czochralski), LPE <Flüssigphasenepitaxie), VPE, MOCVD (Gasphasenepitaxie), MBE <Molekularstrahlepitaxie), LEK (Liquid Encapsulated Kyropoulos) und Bridgman Zucht. Bei Anwendung dieser Verfahren sind die 4f-Ionen anschließend homogen im ganzen Kristall verteilt. Andererseits besteht aber auch die Möglichkeit, die 4f-Ionen durch Ionenimplantations-Verfahren zu implantieren. Nach einigen dieser Herstellungsverfahren wird anschließend eine p-leitende Schicht mittels Diffusion oder Implantation von Akzeptoren wie Zink, Beryllium oder Cadmium hergestellt.
Die nach einem der oben erwähnten Verfahren in Silizium, Germanium oder einem III-V Halbleiter eingebrachten 4f-Ionen können elektrisch durch Injektion von Minoritätsträgern über einen pn-Übergang, durch Injektion über einen Heteroübergang oder eine Schottlcy Barriere oder mittels Stoß angeregt werden. Weiterhin ist es grundsätzlich möglich, die Lumineszenz der 4f-Ionen durch einen Elektronenstrahl oder auch mit Hilfe einer anderen Lichtquelle anzuregen, die ein Diodenlaser oder eine Leuchtdiode sein kann.
Bei allen diesen genannten Anregungsmechanismen emittiert der Halbleiter Licht, dessen Wellenlänge von der charakteristischen Energie der angeregten Zustände der einzelnen 4f-Ionen abhängt und langwelliger liegt als der Bandabstand des Wirtskristalls. Von besonderem Vorteil ist es, daß die erfindungsgemäß dotierten Laserdioden oder Leuchtdioden auch bei Zimmertemperatur betrieben werden können. Die Wellenlänge des Lichts wird dabei primär durch das 4f-Ion und nicht durch den Bandabstand des Halbleiters bestimmt. In mit Erbium dotierten Halbleitern ergibt sich beispielsweise eine Emission bei 1,54 um. Bei der Verwendung von Ytterbium ergibt sich eine Emissionswellenlänge von 1,0 um. Die Erfindung gestattet es somit, 4f-Ionen in Halbleitern unmittelbar elektrisch anzuregen.
Bei einem in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine optische Anregung in einer Hybridkonstruktion durchgeführt, die einen ersten Diodenlaser üblicher Bauart und einen zweiten erfindungsgemäß mit 4f-Ionen dotierten Halbleiterlaser aufweist, der durch den ersten Halbleiterlaser zu einer für die bei der Dotierung verwendeten Lanthanide charakteristischen Strahlung angeregt wird.
Statt die Dotierung mit einem einzigen Lanthanid durchzuführen, können auch mehrere 4f-Ionen aus der Gruppe der Lanthaniden verwendet werden, die die Elemente Cerium, Praseodymium, Neodymium, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium umfaßt. Die Konzentration der 4f-Ionen in den Halbleitern kann etwa zwischen 1015 cm -3 und 1021 cm~3 liegen. Dabei kann die Konzentration entsprechend der Löslichkeitsgrenze der einzelnen 4f-Ionen in dem jeweiligen- Halbleiter bestimmt sein. Mit Hilfe der Technologie der Ionenimplantation können Konzentrationen erreicht werden, die über der Löslichkeitsgrenze liegen. Neben einer homogenen Verteilung über den gesamten Kristall ist es auch möglich, die 4f-Ionen inhomogen im Halbleiter zu verteilen, wobei für eine Laserdiode eine Verteilung so gewählt werden kann, daß die Konzentration der 4f-Ionen im optisch aktiven Bereich größer als im übrigen Bereich ist.
Neben den oben erwähnten III-V Halbleitern, Silizium und Germanium können auch Bleichalkogenide verwendet werden. Insbesondere ist es möglich, binäre Substrate wie PbS, PbSe oder PbTe, ternäre Substrate wie Pb1-xSnxSe, PbSel-XTex oder Pbl-xsnxTe oder quarternäre Substrate wie Pb1#xSnxSe1#yTey zu verwenden.
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Claims

Optoelektronisches Bauelement, insbesondere eine Laserdiode oder eine Leuchtdiode PATENTANSPRÜCHE Optoelektronisches Bauelement, insbesondere Laserdiode oder Leuchtdiode, mit einem Halbleiterkristall, das einen zwischen einer ersten Schicht eines ersten Leitfähigkeitstyps und einer zweiten Schicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps einen in Flußrichtung belastbaren pn-Übergang aufweist, in dem bei Anlegen einer Spannung Ladungsträger unter Aussendung von Strahlung rekombinieren, dadurch g e ke n n ze i c h n e t, daß der Halbleiterkristall (1) mit einem Lanthanid dotiert ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch geke n n z e i ch n e t, daß die Konzentration der Lanthanide etwa 1015 cm 3 bis 1021 cm-3 beträgt.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e ke n n ze i c hn e t, daß der Halbleiterkristall (1) ein III-V Halbleiter ist.
4. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch geke n n z e i ch n e t, daß der Halbleiterkristall (1) Si ist.
5. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch geke n n z e i c h n e t, daß der Halbleiterkristall (1) Ge ist.
6. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch geke n n ze i ch ne t, daß der Halbleiter ein binärer III-V Halbleiter ist.
7. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gek e n n z e i c h n e t, daß der Halbleiter InP, GaAs oder GaP ist.
8. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gek e n n z e i c h n e t, daß der Halbleiter ein ternäher III-V Halbleiter ist.
9. Bauelement nach Anspruch 8, dadurch geke n n z e i c h z n e t, daß der Halbleiter Ga1-xAlxAs, GaAs1-xPx oder Ga1-xInxAs mit OL x# x# so 1 ist.
10. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch geke n n ze i ch n e t, daß der Halbleiter ein quarternärer III-V Halbleiter ist.
11. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gek e n n z e i c h n e t , daß der Halbleiter Ga1-xInxAs1-yPy mit 0# x 4 1 und OL y # 1 ist.
12. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, d adu r c h ge k e n n z e i c h n e t , daß der Halbleiter homogen mit einem Lanthanid dotiert ist.
13. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge ke n n z e i c h ne t, daß der Halbleiter inhomogen mit einem Lanthanid dotiert ist.
14, Bauelement nach Anspruch 13, dadurch geke n n z e i ch n e t, daß der optisch aktive Bereich des Halbleiters höher dotiert ist.
15. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h ge ken n z e i c h n e t, daß die Dotierung mit einem Lanthanid so hoch ist wie sie durch die Löslichkeitsgrenze des einzelnen Lanthanids im Halbleiter bestimmt ist.
16. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Halbleiter mit mehreren verschiedenen Lanthaniden dotiert ist.
17. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, d a d u r c h g ek e n n ze i c h n e t, daß das Lanthanid Erbium ist.
18. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Hybrid-Konstruktion aus einem ersten III-V Bauelement und einem von diesem anregbaren, mit einem Lanthanid dotierten und Licht größerer Wellenlänge abstrahlenden Halbleiterbauelement.
19. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 2 oder 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkristall (1) ein Bleichalkogenid ist.
20. Bauelement nach Anspruch 19, dadurch geke n n ze i ch n e t, daß der Halbleiter ein ternärer oder quarternärer Bleichalkogenid ist.