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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Licht emittierende
Vorrichtung und insbesondere auf eine
Halbleiterlaservorrichtung.
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Eines der bekannten typischen Materialien für sichtbares
Licht emittierende Halbleiterlaservorrichtungen ist
(AlGa)0,5In0,5P. Wenn dieses Halbleiterlasermaterial für
eine Halbleiterlaservorrichtung verwendet wird, wird es
epitaktisch auf ein Substrat aufgewachsen, das
üblicherweise aus GaAs gemacht ist. Außer den Nitriden
haben (AlGa)0,5In0,5P-Verbindungen unter den Verbindungen
der Elemente der Gruppe III-V des Periodensystems die
höchste Bandlückenenergie. Dementsprechend werden sie im
allgemeinen für eine Halbleiterlaservorrichtung
verwendet, die im roten Farbbereich Laserstrahlen
aussenden kann. Im allgemeinen beinhalten die Substrate,
auf denen Verbindungshalbleiter mittels Epitaxie
abgelagert werden, neben GaAs noch InP, GaP, GaSb, Si und
Ge. JP-A-59-086 281 offenbart einen GaInP/AlInP-
Halbleiterlaser auf einem SiGe-Substrat. Es ist allgemein
anerkannt, daß für das epitaktische Aufwachsen von
(AlGa)InP-Materialien das Substrat vom Standpunkt der
Anpassung der Gitterkonstanten aus gesehen aus GaAs
gemacht werden sollte. Wenn (AlGa)InP epitaktisch auf das
GaAs-Substrat aufgewachsen wird, beträgt die kleinste
Bandlückenenergie 1 ,91 eV für Ga0,5In0,5P und die größte
Bandlückenenergie 2,35 eV für Al0,5In0,5P.
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Bei Halbleiterlaservorrichtungen geht eine jüngste
Tendenz zu einer kürzeren Wellenlänge der Lasertätigkeit.
Zur Realisierung der kurzen Laserwellenlänge sollte die
Bandlückenenergie einer als Licht emittierender Abschnitt
dienenden aktiven Schicht groß sein. Die aktive Schicht
sollte für die Erzeugung eines Laserstrahls aus einem
Material mit direktem Übergang sein und sollte eine
Heterostruktur aufweisen, um Licht und einen Ladungsstrom
innerhalb eines schmalen Bereichs zu halten.
Darüberhinaus haben Mantelschichten, zwischen denen die aktive
Schicht eingebettet ist, Bandlückenenergien, die um
mindestens 0,25 eV größer als die der aktiven Schicht
sind.
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Aus den vorgenannten Gründen wurde jetzt bei den
Halbleiterlaservorrichtungen, die das GaAs-Substrat
verwenden, eine kurze Wellenlänge der Lasertätigkeit
durch Erhöhen des Al-Gehaltes in der aktiven Schicht und
den Mantelschichten und eine damit verbundene Erhöhung
der Bandlückenenergien realisiert.
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Jedoch ist die auf der Zunahme des Al-Gehalts beruhende
Zunahme der Bandlückenenergien begrenzt: die maximale
Bandlückenenergie beträgt nur 2,35 eV für Al0,5In0,5P,
wobei die Bandlückenenergie der aktiven Schicht 2,10 eV
ist. Die Wellenlänge der Lasertätigkeit beträgt 590 nm.
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Wenn der zunehmende Al-Gehalt gemäß der vorangehenden
Beschreibung auch zum Erreichen einer kurzen Wellenlänge
wirksam ist, so tritt andererseits das Problem auf, daß
in der Halbleiterlaservorrichtung während des Betreibens
Oxidation stattfindet, was zu einer beträchtlichen
Verschlechterung der Charakteristik führt. Daher ist die
Vorrichtung nicht zuverlässig.
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Deshalb soll die Erfindung eine
Halbleiterlaservorrichtung schaffen, die zum Realisieren einer kurzen
Wellenlänge der Lasertätigkeit ausgestaltet ist, ohne die
Probleme zu verursachen, wie sie beim Stand der Technik
auftreten, wie beispielsweise die Oxidation von
Verbindungshalbleiterschichten, und die daher zuverlässig
ist.
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Die Erfindung soll außerdem eine
Halbleiterlaservorrichtung schaffen, die eine aluminiumfreie aktive
Schicht enthält, wodurch gute charakteristische
Eigenschaften der Vorrichtung ohne eine
oxidationsbedingte Verschlechterung der aktiven Schicht
gewährleistet sind.
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Erfindungsgemäß wird eine Halbleiterlaservorrichtung
geschaffen, die ein monokristallines Substrat, das im
wesentlichen aus SiaGe1-a, wobei 0 < a < 0,25, besteht,
und eine Verbindungshalbleiterschicht enthält, die auf
dem Substrat gebildet ist, hinsichtlich des Gitters an
das Substrat angepasst ist und eine Al-freie aktive
Schicht aus GabIn1-bP, wobei 0,51 < b < 0,64, und eine
erste und eine zweite Mantelschicht enthält, zwischen
denen die aktive Schicht liegt, wobei die erste
Mantelschicht auf dem Substrat gebildet ist, und jede
Mantelschicht aus (AlcGa1-c)dIn1-dP, wobei 0,4 < c < 1
und 0,51 < d < 0,64, gemacht ist.
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Die Erfindung soll im folgenden unter Bezugnahme auf die
folgende ausführliche Beschreibung eines zur
Veranschaulichung dienenden Ausführungsbeispiels und die
beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, von
denen
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Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechenden
Halbleiterlaservorrichtung ist;
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Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer bekannten
Halbleitervorrichtung ist; und
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Fig. 3 eine graphische Darstellung der Bandlückenenergie
in Abhängigkeit von der Änderung der Gitterkonstanten für
verschiedene Halbleiterzusammensetzungen ist.
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Zuerst wird gemäß Fig. 2 eine dem Stand der Technik
entsprechende Halbleiterlaservorrichtung beschrieben.
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In Fig. 2 ist eine Halbleiterlaservorrichtung 20 gezeigt,
die ein GaAs-Substrat 21 enthält, das eine n-leitende
Pufferschicht 22, eine n-leitende GaInP-Schicht 23, eine
n-leitende AlGaInP-Mantelschicht 24, eine aktive
Schicht 25, eine p-leitende AlGaInP-Mantelschicht 26,
eine p-leitende GaInP-Schicht 27 und eine isolierende
Schicht 28 in dieser Reihenfolge aufweist. Bezugszeichen
29 und 30 sind jeweils gemäß der Figur angeordnete n- und
p-Elektroden. Ein Bezugszeichen 31 bezeichnet eine
Kontaktschicht aus p-GaAs.
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Die einzelnen Schichten sind auf dem Substrat in üblicher
Weise auf der Ebene (001) des Substrates 21 epitaktisch
aufgewachsen. Falls die aktive Schicht beispielsweise aus
Ga0,5In0,5P gemacht ist, beträgt die Wellenlänge der
Lasertätigkeit 650 nm.
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Nun wird auf Fig. 1 und 3 verwiesen, womit
Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden.
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In Fig. 1 wird allgemein eine erfindungsgemäße
Halbleiterlaservorrichtung D gezeigt, die der bekannten
Vorrichtung gemäß Fig. 2 vom Aufbau her ähnlich ist.
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Grundsätzlich enthält die Vorrichtung D der Erfindung ein
monokristallines Substrat 1 aus SiGe, das n- oder
p-leitend sein kann. Auf dem Substrat 1 sind eine
Mantelschicht 2, eine aktive Schicht 3 und eine
Mantelschicht 4 in dieser Reihenfolge gebildet. Zur
Vervollständigung der Halbleiterlaservorrichtung D ist eine
Elektrode 5 auf der anderen Seite des Substrats 1
gebildet und eine Elektrode 6 ist über einer isolierenden
Schicht 7 auf der Mantelschicht 4 gebildet. Vorzugsweise
ist zwischen dem Substrat 1 und der Mantelschicht 2 eine
Pufferschicht 8 vorhanden. Zum Vermindern der Differenz
zwischen den Schichten 8 und 2 hinsichtlich der
Bandlückenenergie kann eine Zwischenschicht 9 zwischen der
Puf ferschicht 8 und der Mantelschicht 2 vorhanden sein.
Ein Bezugs Zeichen 10 bezeichnet eine Kontaktschicht
zwischen der Elektrode 6 und der Mantelschicht 4.
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Für die Praxis ist es bei der Erfindung wesentlich, daß
das Substrat 1 aus SiaGe1-a hergestellt ist, wobei
0 < a < 0,25. Das SiGe-Material für das Substrat kann n-
oder p-leitend sein. Falls das n-leitende Material
verwendet wird, sollten die Schichten 2, 9 und 8 aus
n-leitenden Halbleitermaterialien sein, während die
Schichten 4 und 10 aus p-leitenden Halbleitermaterialien
gemacht sein sollten. Bei einem p-leitenden Substrat ist
es genau umgekehrt. Die vorgenannten Schichten sind
epitaktisch auf dem Substrat gebildet, wobei die
(001)-Ebene für das epitaktische Aufwachsen verwendet
wird.
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Die Mantelschichten 2 und 4 sind jeweils aus einem
Verbindungshalbleiter mit der Formel (AlcGa1-c)dIn1-dP
hergestellt, wobei 0,4 < c < 1 und 0,51 < d < 0,64.
Vorzugsweise gilt, 0,4 < c < 1. Wie aus der Formel zu
ersehen ist, kann AlInP für die Mantelschichten verwendet
werden, wenn auch eine Gitteranpassung an das. Substrat zu
berücksichtigen ist. Zum Erzeugen von n- und
p-Leitfähigkeit sind dem Verbindungshalbleiter im Falle
der n-Leitfähigkeit Verunreinigungen, wie zum Beispiel
Si, S und ähnliche, in einer Konzentration von 2 x 10¹&sup7;
bis 5 x 10¹&sup8; Atomen/cm³ zugesetzt. In gleicher Weise sind
dem Verbindungshalbleiter für die p-Leitfähigkeit
Verunreinigungen, wie zum Beispiel Be, Mg und ähnliche,
in einer Konzentration von 2 x 10¹&sup7; bis 5 x 10¹&sup8;
Atomen/cm³ zugesetzt.
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Für die Bildung der Mantelschicht 2 mittels Epitaxie ist
auf die Gitteranpassung an das Substrat zu achten, wie im
folgenden erörtert werden soll. Die Mantelschichten 2 und
4 sind im allgemeinen mit einer Dicke von 0,6 bis 1,0 um
gebildet.
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Die aktive Schicht 3 ist aus einem Verbindungshalbleiter
mit der Formel GabIn1-bP hergestellt, wobei
0,51 < b < 0 64. Innerhalb dieses Bereichs ist die
Gitteranpassung an das Substrat erfüllt und die
Bandlückenenergie Eg kann so variiert werden, daß
1,91 eV < Eg < 2,13. Mit anderen Worten, die
Wellenlänge λ der Lasertätigkeit kann bei Verwenden eines
Verbindungshalbleiters, bei dem kein Al in der aktiven
Schicht 3 vorhanden ist, innerhalb eines Bereichs von
650 nm bis 580 nm gesteuert werden. Die aktive Schicht 3
ist im allgemeinen mit einer Dicke von 40 bis 100 nm (400
bis 1000 Å) gebildet.
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Die Elektroden 5 und 6 sind aus irgendeinem bekannten
Material, wie beispielsweise AuGe, AuZn und ähnlichem,
hergestellt ünd können mittels irgendeines bekannten
Verfahrens hergestellt werden.
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Falls nötig, kann zwischen der Mantelschicht 4 und der
Elektrode 6 die isolierende Schicht 7 vorhanden sein,
die, wie gewöhnlich, aus einem Material, wie
beispielsweise SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4; und ähnlichem, hergestellt
ist.
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Um ein gleichmäßiges Fortschreiten des epitaktischen
Aufwachsens der Schichten 2, 3, 4, 10, 7 und 6 zu
bewirken, wird vorzugsweise die Pufferschicht 8 gebildet.
Die Pufferschicht 8 kann aus GaAsP, SiGe oder GaInP
gebildet sein, wobei deren Zusammensetzung hauptsächlich
von der Zusammensetzung des Substrates 1 abhängt.
Vorzugsweise wird die Pufferschicht aus SieGe1-e, wobei
0 < e < 0,25, GaAsfP1-f, wobei 0,75 < f < 1 oder
GagIn1-gP, wobei 0,51 < g < 0,64, hergestellt. Diese
Schicht 8 ist mit einer Dicke von 0,2 bis 0,3 um
gebildet.
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Wenn die Pufferschicht 8 aus einem anderen Material als
GaInP hergestellt ist, kann eine Zwischenschicht 9
zwischen der Pufferschicht 8 und der Mantelschicht 2
gebildet sein, um die Energielücke dazwischen zu
vermindern. In dieser Hinsicht ist es vorzuziehen, die
Pufferschicht 8 aus GaInp, wie vorstehend definiert,
herzustellen.
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Die Kontaktschicht 10 ist aus GaInP, wie es für die
Pufferschicht 8 verwendet wird, hergestellt.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen
Halbleiterlaservorrichtung erfolgt, ohne auf irgendeine besondere
Technik zurückzugreifen und wird hier nicht eigens
beschrieben.
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Wenn das SiGe-Material als das Substrat verwendet wird,
sollte ein für die aktive Schicht verwendeter ternärer
Halbleiter aus GalnP große Mengen Ga enthalten, um eine
Gitteranpassung an das Substrat zu erlauben. Dies ist in
Fig. 3 eigens gezeigt, die für verschiedene
Verbindungshalbleiter die Beziehung zwischen der Bandlückenenergie
und der Gitterkonstante zeigt. Gemäß der Figur vergrößert
sich die Gitterkonstante, wenn der In-Gehalt des
GaInP-Halbleiters zunimmt. Wenn dagegen der Ga-Gehalt
zunimmt, wird die Gitterkonstante kleiner.
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Werden die Gitteranpassung des Substrats an die
Mantelschicht und die aktive Schicht und der Unterschied
in der Bandlückenenergie zwischen der Mantelschicht und
der aktiven Schicht in Betracht gezogen, sollte die
Gitterkonstante des Halbleiters aus SiaGe1-a in dem
Bereich von 0,560 bis 0,56575 nm liegen. Das entspricht
der Halbleiterzusammensetzung von SiaGe1-a, bei der
0 < a < 0,25 gilt, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Für
a = 0,25 ergibt sich für die Lasertätigkeit die kürzeste
Wellenlänge. Daher wird a = 0,25 bevorzugt.
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Genauso gilt, um die Anforderung hinsichtlich der
Gitterkonstante zu erfüllen, 0,51 < b < 0,64 für
GabIn1-bP, und 0,4 < c < 1 und 0,51 < d < 0,64 für
(AlcGa1-c)dIn1-dP.
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Dadurch können die aus (AlcGa1-c)dIn1-dP bestehende
Mantelschicht und die aus GabIn1-bP bestehende aktive
Schicht geeignet auf dem SiGe-Substrat aufgewachsen
werden, während die Gitterkonstanten angepasst sind, so
daß gleichmäßiges epitaktisches Aufwachsen gewährleistet
ist.
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Die Bandlückenenergie der aktiven Schicht kann innerhalb
eines Bereichs von 1,91 eV bis 2,13 eV variiert werden.
Der Al-freie Halbleiter wird als die aktive Schicht
verwendet, um die Wellenlänge λ der Lasertätigkeit in dem
Bereich von 650 nm > λ > 560 nm zu steuern.
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Die Erfindung wird an einem Beispiel genauer beschrieben.
Beispiel
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Es wurde ein Si0,25Ge0,75-Substrat mit einer
Gitterkonstante von 0,56 bereitgestellt, auf dem eine
GaAs0,75P0,25-Pufferschicht mit einer Dicke von 2000 Å
epitaktisch aufgewachsen wurde, gefolgt von einer
weiteren epitaktischen Bildung einer n-leitenden
Al0,64In0,36P-Mantelschicht und einer aktiven Schicht aus
Ga0,64In0,36P. Danach wurde eine p-leitende
Al0,64In0,36P-Mantelschicht gebildet. Eine isolierende
Schicht und Elektroden wurden gemäß Fig. 1 gebildet, um
eine Halbleiterlaservorrichtung zu erhalten. Die
Laserwellenlänge der Vorrichtung betrug 580 nm. Es sei
angemerkt, daß die Bandlückenenergie zwischen der aktiven
Schicht und der Mantelschicht 0,25 eV war.
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Das vorstehende Verfahren wurde wiederholt, wobei die
Pufferschicht jedoch aus Si0,25Ge0,75 oder Ga0,64In0,36P
gemacht wurde, und lieferte ähnliche Ergebnisse.
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So kann, wenn das Substrat aus monokristallinem SiGe für
die AlGaInP-Halbleiterlaservorrichtung verwendet wird,
eine Lasertätigkeit bei kurzer Wellenlänge ohne
Verwendung von Aluminium in der aktiven Schicht
realisiert werden. Die Laservorrichtung ist kaum einer
von einer Oxidation während des Betreibens herrührenden
Verschlechterung der Leistung ausgesetzt und ist daher
äußerst zuverlässig.