DE4310569A1 - Laserdiode - Google Patents

Laserdiode

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Description

Die Erfindung betrifft eine Laserdiode mit einer auf ein Siliziumsubstrat aufgewachsenen Schichtfolge aus einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial.
Derartige Laserdioden sind beispielsweise bekannt als In- AlGaAs-GaAs oder InGaAsP-InP Verbindungshalbleiter auf Si­ lizium. Für die Herstellung dieser im infraroten Spektral­ bereich emittierenden Laserdioden werden aufwendige Puf­ ferschichten zum Auffangen von Versetzungslinien auf das Siliziumsubstrat aufgewachsen. Das Wandern von Versetzun­ gen in die aktive Zone, was den Ausfall des Lasers zur Folge hat, läßt sich aber letztendlich nicht vollkommen unterdrücken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laserdiode mit hoher Effizienz und langer Lebensdauer anzugeben.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Un­ teransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Wesentlich an der Erfindung ist die Gitteranpassung an das Silizuim-Substrat. Der Anteil x von Stickstoff gegenüber Arsen in der B(V)-Komponente As1-xNx des A(III)-B(V)-Ver­ bindungshalbleitermaterials liegt hierfür vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,2. Die relative Differenz in den Git­ terkonstanten ist vorzugsweise <10-3. Mit Gallium als Hauptbestandteil der B(III)-Komponente in der aktiven Schicht ergibt sich ein direkter Bandübergang für die Lichtemission, deren im sichtbaren Spektralbereich lie­ gende Wellenlänge über den Gehalt von Aluminium und in ge­ ringerem Maße auch Indium in der A(III)-Komponente InAlGa der aktiven Schicht von ca. 500nm bis über 800nm gezielt eingestellt werden kann.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die Abbildung noch eingehend veranschaulicht.
Der in Fig. 1 skizzierte Aufbau einer Laserdiode mit einer Halbleiterschichtenfolge 1 bis 7 weist als unterste Schicht ein n-dotiertes Si-Substrat auf, auf welches eine an das Si-Substrat gitterangepaßte n⁺-AlAs1-xNx (0,1 x 0,2) Cladding-Schicht 6 als 1-2µm dicke Zwischenschicht mit einer Dotierung n≈ 5×1018 cm-3 aufgewachsen ist. Auf diese folgt eine an das Si-Gitter angepaßte Gra­ duierungsschicht 5 aus AlGaAs1-xNx mit einer Dicke von ca. 250nm, deren untere, d. h. der Cladding-Schicht 6 zuge­ wandte Hälfte n-dotiert ist. Auf die Graduierungsschicht 5 ist eine 50-100nm dicke laseraktive Schicht aus an das Si- Substrat gitterangepaßtem AlyGa1-yAs1-xNx mit 2-3 ver­ spannten, 5-8nm dicken AlyGa1-yAs Quantenwell-Schichten aufgewachsen. Die gesamte aktive Schicht ist undotiert. Mit y ≈ 0,1 liegt die Wellenlänge der Laseremission zwi­ schen 600 und 700 nm. In den Quantenwellschichten kann teilweise Gallium gegen Indium ausgetauscht und auf diese Weise durch Kontrolle der Verspannung eine Feinabstimmung der Emissionswellenlänge und des Gewinns vorgenommen wer­ den.
Auf die aktive Schicht 4 folgt eine weitere ca. 250nm dicke Graduierungsschicht 3, die wie die Schicht 5 aus an das Si-Substrat gitterangepaßtem AlGaAs1-xNx besteht. Sie ist in ihrer oberen, d. h. der aktiven Schicht 4 abge­ wandten Hälfte p-dotiert. Die beiden Graduierungsschichten und die von ihnen eingeschlossene aktive Schicht bilden einen optischen Wellenleiter.
Die Schicht 2 ist wieder eine 1-2µm dicke Cladding-Schicht und besteht wie die Cladding-Schicht 6 aus AlAs1-xNx. Sie ist p⁺-dotiert mit einer Konzentration von p ≈ 5×1018cm-3
Zur Kontaktierung ist eine abschließende ca. 20nm dicke Kontaktschicht aus p⁺-GaAs mit p ≈ 5×1018cm-3 vorgesehen, die mit einem metallischen Kontakt aus beispielsweise TiAu versehen ist. Für den gegenpoligen Kontakt kann bei­ spielsweise auf die Unterseite des Si-Substrats eine me­ tallische AuGeNi-Schicht aufgebracht sein.
Die Spiegelflächen können beispielsweise durch Trockenät­ zen oder durch Spalten auf Kristallflächen (111) oder () erzeugt werden. Eine äquivalente Schichtenfolge auf einem p-dotierten Substrat ergibt sich unmittelbar durch Austausch der Dotierungstypen in den einzelnen Schichten.
Fig. 2 zeigt die Frontansicht einer Laserdiode in Rippen­ wellenleiter-Ausführung, bei welcher die Kontaktschicht 1 nur auf einer Rippenbreite von beispielsweise 2-4µm stehen bleibt und auch die 1-2µm dicke Cladding-Schicht 2 in den Randbereichen bis auf eine Restdicke von 100-200nm abge­ tragen ist. Die ganz flächig abgeschiedene TiAu-Metall­ schicht ist gegen die Cladding-Schicht 2 durch eine di­ elektrische Schicht aus beispielsweise SiO2 isoliert. Der Schichtenaufbau entspricht im übrigen der Fig. 1.
Die Herstellung einer der beschriebenen Schichtenfolgen kann beispielsweise mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder MO(metal organic)MBE in an sich bekannter Weise er­ folgen. Zur p-Dotierung kann beispielsweise Beryllium, zur n-Dotierung Silizium dienen.
Die erfindungsgemäße Laserdiode ist durch das Aufwachsen auf ein Silizuim-Substrat besonders zur monolithischen In­ tegration mit weiteren Bauelementen oder mit vollständigen integrierten Schaltkreisen in Silizium-Technologie ge­ eignet und vor allem für die optische Verbindungs-und Kom­ munikationstechnik, aber auch für die Anzeige- und Be­ leuchtungstechnik vorteilhaft.
Alternative Bauformen zu den skizzierten Ausführungen der Laserdiode wie beispielsweise mit vertikalem Laserresona­ tor, BH-Bauform oder DCPBH-Bauform u.ä., wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, sind selbstverständlich auch mit der vorliegenden Erfindung möglich.

Claims (7)

1. Laserdiode mit einer auf ein Siliziumsubstrat aufge­ wachsenen Schichtenfolge aus A(III) B(V) -Verbindungshalb­ leitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbin­ dungshalbleitermaterial an das Siliziumsubstrat gitteran­ gepaßt ist und als B(V)-Komponente As1-xNx enthält.
2. Laserdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die laseraktive Schicht als A(III)-Komponente überwie­ gend Gallium enthält.
3. Laserdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die laseraktive Schicht der Schichtenfolge aus AlGaAsN mit mehreren eingebetteten verspannten Quantenwell-Schich­ ten aus AlGaAs besteht.
4. Laserdiode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die laseraktive Schicht undotiert ist.
5. Laserdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantenwell-Schichten zusätzlich In enthalten.
6. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5 gekenn­ zeichnet durch die Emission von Licht im sichtbaren Be­ reich.
7. Laserdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die monolithische Integration mit Si­ lizium-Bauelementen.
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