DE4310569A1 - Laserdiode - Google Patents
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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.
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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