EP1073933A1 - Optically non-linear semiconductor material and a method for the production thereof - Google Patents

Optically non-linear semiconductor material and a method for the production thereof

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EP1073933A1
EP1073933A1 EP99913054A EP99913054A EP1073933A1 EP 1073933 A1 EP1073933 A1 EP 1073933A1 EP 99913054 A EP99913054 A EP 99913054A EP 99913054 A EP99913054 A EP 99913054A EP 1073933 A1 EP1073933 A1 EP 1073933A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
semiconductor material
produced
gaas
temperatures
semiconductor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99913054A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ursula Keller
Uwe Siegner
Markus Haiml
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GigaTera AG
Original Assignee
GigaTera AG
Time Bandwidth Products AG
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Filing date
Publication date
Application filed by GigaTera AG, Time Bandwidth Products AG filed Critical GigaTera AG
Publication of EP1073933A1 publication Critical patent/EP1073933A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106Mode locking
    • H01S3/1112Passive mode locking
    • H01S3/1115Passive mode locking using intracavity saturable absorbers
    • H01S3/1118Semiconductor saturable absorbers, e.g. semiconductor saturable absorber mirrors [SESAMs]; Solid-state saturable absorbers, e.g. carbon nanotube [CNT] based
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35Non-linear optics
    • G02F1/3523Non-linear absorption changing by light, e.g. bleaching
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35Non-linear optics
    • G02F1/355Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3551Crystals

Definitions

  • the invention relates to an optically nonlinear semiconductor material, a method for its production and its use.
  • Optically nonlinear materials are used in many applications. In optical information processing they are used e.g. B. used to switch light by means of light. In optical communication, they can be used to clean signals from disturbing noise, which arises, for example, from amplified spontaneous emission (ASE).
  • ASE amplified spontaneous emission
  • Another area of application is laser physics, where such materials are used as saturable absorbers for passive mode coupling in laser resonators for the purpose of generating ultra-short laser pulses (in the femto- or picose customer range).
  • the passive mode coupling can be achieved, for example, by using a mirror with saturable absorbers made of semiconductor materials (semiconductor saturable absorber mi ⁇ or, SESAM) as a resonator mirror (cf. U.
  • a SESAM mirror typically consists of a reflective substrate, a saturable semiconductor absorber structure and, optionally, an additional reflection or anti-reflection layer.
  • the material properties a) response time, b) absorption modulation and c) unsaturated absorption losses play an important role (and others) and can therefore be described as key parameters.
  • the following requirements are placed on these key parameters of optically nonlinear materials: a) the response time should be adaptable to the respective application (for example in the pico or femtosecond range); b) the absorption modulation should be high; c) the unsaturated absorption losses should be low.
  • response time means the time during which the initially rapid change in the optical material - 3 -
  • optical material properties are mainly determined by trapping.
  • optical material properties are influenced by other, mostly slower mechanisms.
  • GaAs Gallium arsenide
  • MBE molecular beam epitasy
  • the GaAs can also be grown at lower temperatures of approx. 180 to 500 ° C.
  • This low-temperature process creates non-stoichiometric crystals with a high crystal defect density.
  • the crystal defect density and thus also the low-temperature method can be determined or ascertained with the aid of near-infrared absorption (NTJ A) or magnetic circular dichroism of absorption (MCDA) (see, for example, BX Liu et al., "Mechanism responsible for the semi-msulating properties of low-temperature-grown GaAs ", Appl. Phys. Lett. 65 (23), December 5, 1994, pp. 3002 ff).
  • the low-temperature method can be used to set short response times (in the range from subpicoseconds to several 10 ps); however, these advantages must be bought through low absorption modulations and high unsaturated absorption losses. It is an object of the invention to provide an optically nonlinear semiconductor material which at the same time has response times which can be influenced, high absorption modulations and low unsaturated absorption losses. Another object of the invention is to provide a method for producing such a material.
  • the semiconductor material according to the invention is particularly suitable for mirrors with at least one saturable absorber made of this semiconductor material.
  • An ITJ-V semiconductor for example gallium arsenide (GaAs), indium gallium arsenide (InGaAs), aluminum gallium arsenide (AlGaAs) or indium gallium arsenide phosphide (InGaAsP), is preferably selected as the semiconductor material.
  • the semiconductor material is preferably produced by means of molecular beam epitaxy (MBE).
  • MBE molecular beam epitaxy
  • Another possible manufacturing process is gas phase deposition, in particular metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
  • a semiconductor material is produced at temperatures between 180 and 500 ° C. and mixed with foreign atoms.
  • the foreign atoms are preferably at least one acceptor material, e.g. B. Beryllium (Be).
  • the doping is preferably carried out during the epitaxial growth of the semiconductor material in an ultra-high vacuum chamber in the molecular beam.
  • the impurity concentration is set via the ratio of the molar flux, e.g. from Be to Ga and As. Such doping can be done later.
  • Typical Be concentrations are between 10 17 cm "3 and 10 20 cm " 3 .
  • the semiconductor material is produced at temperatures between 180 and 500 ° C. and then - 6 -
  • the bakeout can be carried out for at least 10 minutes at temperatures between 500 and 800 ° C, or as a short-term bake (rapid thermal annealing, RTA) for, for example, 10 s at about 600 to 1000 ° C.
  • RTA rapid thermal annealing
  • the baking usually leads to a certain precipitation of a semiconductor component; in the case of GaAs, for example, As spheres with diameters in the nanometer range, typically between 2 and 10 nm, with a density of 10 17 to 10 18 cm “3 , (see, for example, BMR Melloch et al.," Formation of arsenic precipitates in GaAs buffer layers grown by molecular beam epitaxy at low Substrate temperatures, Appl. Phys. Lett.
  • the baking is preferably carried out in an As atmosphere prevent or at least reduce displacement of As from the semiconductor.
  • the unsaturated absorption losses are attributed to a transition between neutral antisites (for example As Ga °) in the semiconductor material (for example GaAs) and the band states which are 0.7 eV above the lower end of the conduction band. Because of the high neutral-anti- site concentration and the high density of the final states, this transition can only be saturated at very high light flux densities.
  • the doping according to the invention and the baking out according to the invention now considerably reduce the concentration of the neutral antisites by changing the charge state of the defects or by precipitation. As a result, the transition between the neutral antisites and the conduction band can be at least partially saturated, thereby reducing the unsaturated absorption losses and increasing the absorption modulation.
  • FIG. 9 shows a schematic cross section through a preferred embodiment of a mirror with saturable absorbers made of semiconductor materials according to the invention.
  • FIG. 1 shows the measured standardized differential reflectivity versus the time delay of a test pulse to a short pump pulse with a pulse length of 15 fs and a central wavelength of 750 nm.
  • the measurement curves relate to GaAs grown at 300 ° C. with different concentrations, namely: curve 1.1: undoped GaAs, curve 2.1: GaAs with a Be concentration of 1 • 10 19 cm "3 and curve 3.1: GaAs with a Be concentration of 3 • 10 19 cm " 3 . - 9 -
  • Curves 1.2, 2.2 and 3.2 are compensation curves (fits) for the corresponding measured values 1.1, 2.1 and 3.1, whereby the function a + b - exp (-t / ⁇ ) was used for the compensation calculation.
  • the time constants r calculated in this way decrease from 480 fs to 390 fs to 110 fs for the increasing Be concentrations. This measurement thus demonstrates impressively how the response time can be influenced by the Be concentration.
  • FIG. 2 proves that the response time can also be influenced with baking out in the method according to the invention.
  • FIG. 3 shows the measured normalized differential reflectivity versus the time delay of a test pulse to a long pump pulse with a pulse length of 100 fs and a central wavelength of 830 nm.
  • the measurement curves relate to GaAs grown at 300 ° C., which was produced as follows: curve 6 : undoped, not heated GaAs,
  • Curve 7 unheated GaAs with a Be concentration of 3 ⁇ 10 19 cm '3 and curve 8: undoped GaAs heated for one hour at 600 ° C. - 10 -
  • the response times can be influenced using the method according to the invention, which includes doping and / or baking.
  • Figure 4 shows measured absorption modulations versus growth temperature for GaAs with different Be concentrations. Open squares mean: undoped GaAs, full circles: GaAs with a Be concentration of 1 • 10 19 cm “ 3 and full triangle: GaAs with a Be concentration of 3 • 10 19 cm “ 3 .
  • FIG. 5 The measurements of FIG. 5 are analogous to those of FIG. 4, but for undoped GaAs, open squares: GaAs not heated and solid diamonds: GaAs heated at 600 ° C. for one hour.
  • the baking according to the invention does not lower the absorption modulation (cf. 300-600 ° C.), but rather increases it (cf. 200-250 ° C). - 11 -
  • FIG. 6 shows measured non-saturable absorption losses with respect to the growth temperature for GaAs with different Be concentrations, the same Be concentrations and symbols being used in FIG. 4.
  • the measurements for undoped GaAs confirm the known fact that at GaAs grown at high temperatures (> approx. 300 ° C) exhibits satisfactorily low unsaturated absorption losses (around approx. 10), but GaAs grown at low temperatures ( ⁇ approx. 300 ° C) does not.
  • the astonishing statement from FIG. 6 is that the Be doping does not increase the unsaturated absorption losses, but rather rather decreases them.
  • FIG. 7 The measurements of FIG. 7 are analogous to those of FIG. 6, but for undoped GaAs, the same heating conditions and symbols being used as in FIG. 5.
  • the heating according to the invention does not increase the unsaturated absorption losses, but rather degraded.
  • FIG. 8 shows the measured reflectivity versus the light flux density for GaAs with different Be concentrations, namely: curve 9: undoped GaAs,
  • Curve 10 GaAs with a Be concentration of 1 • 10 19 cm “3 and Curve 11: GaAs with a Be concentration of 3 • 10 19 cm “ 3 .
  • Different ranges of the light flux density are discussed on the basis of curve 11.
  • the GaAs behaves optically linear, ie the reflectivity has a constant value R Q ⁇ 40%. From approx. 1 ⁇ J / cm 2 , nonlinear optical effects begin to play a role; the reflectivity can be varied by a maximum of an absorption modulation ⁇ R - 45%, depending on the light flux density.
  • FIG. 9 schematically shows a preferred embodiment of a mirror 20 with saturable absorbers made of semiconductor materials according to the invention in cross section.
  • the founders of the clear presentation do not necessarily have the thicknesses of individual elements in the correct relationship to each other.
  • the mirror 20 consists of a reflective substrate 21 and a saturable semiconductor absorber structure 22.
  • an additional reflection or anti-reflection layer (not shown) could be applied to the saturable semiconductor absorber structure 22.
  • the reflective substrate 21 is preferably a carrier substrate 24 provided with a Bragg structure 23, for example made of GaAs.
  • the Bragg structure 23 is preferably formed as a stack of lambda quarter layers 25.1, ..., 25.p or 26.1, ..., 26.q made of semiconductor materials and / or dielectrics, layers 25.1, .. ., 25.p alternate lower refractive index with layers 26.1, ..., 26.q higher refractive index; typically p ⁇ q ⁇ 25.
  • the saturable semiconductor absorber structure 22 of the exemplary embodiment from FIG. 9 consists of: a first AlAs layer 27.1 with a thickness of 75 nm, a first non-linear optical GaAs layer 28.1 with a thickness of 15 nm produced by the method according to the invention , a second AlAs layer 27.2 with a thickness of 15 nm and - 13 -
  • a second non-optical-optical GaAs layer 28.2 with a thickness of 5 nm produced by the method according to the invention.
  • Such a mirror 20 has high reflectivities of approx. R ⁇ 0.99 (slightly dependent on the incident light output). Schematically, as arrow 29, a light beam reflected on the mirror 20 is indicated.

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Abstract

Essentially non-linear optical material characteristics of a semiconductor material which is epitaxially grown at low temperatures can be substantially improved by measures comprising the addition of foreign atoms and/or an additional curing. Epitaxially grown GaAs is dosed, for example at 300 DEG C, with Be in a concentration of 3 x 10<19> cm<-3>. The response time is reduced from 480 fs (curve 1.1) to 110 fs (curve 3.1) such that the absorption modulation is not reduced thereby or such that the non-saturable absorption losses do not increase. Semiconductor materials which have been subjected to at least one of the aforementioned measures during production exhibit impressionable, especially short response times and, at the same time, exhibit high absorption modulations and low non-saturable absorption losses. As a result, the semiconductor materials are excellently suited for non-linear optical applications such as optical information processing, optical communication or ultra-short pulse laser physics.

Description

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OPTISCH NICHTLINEARES HALBLEITERMATERIAL UND VERFAHRENOPTICALLY NON-LINEAR SEMICONDUCTOR MATERIAL AND METHOD
ZU DESSEN HERSTELLUNGTO ITS MANUFACTURE
Die Erfindung betrifft ein optisch nichtlineares Halbleitermaterial, ein Verfahren zu dessen Herstellung und seine Verwendung.The invention relates to an optically nonlinear semiconductor material, a method for its production and its use.
Optisch nichtlineare Materialien werden in vielen Anwendungen eingesetzt. In der optischen Informationsverarbeitung werden sie z. B. gebraucht, um Licht mittels Lichtes zu schalten. In der optischen Kommunikation können sie dazu dienen, Signale von störendem Rauschen, welches bspw. durch verstärkte spontane Emission (amplified spontaneous emission, ASE) entsteht, zu säu- bern. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Laserphysik, wo solche Materialien als sättigbare Absorber für die passive Modenkopplung in Laserresonatoren zwecks Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen (im Femto- oder Picose- kundenbereich) gebraucht werden. Die passive Modenkopplung kann bspw. durch die Verwendung eines Spiegels mit sättigbaren Absorbern aus Halblei- termaterialien (semiconductor saturable absorber miιτor, SESAM) als Resonatorspiegel erreicht werden (vgl. U. Keller et al., "Semiconductor Saturable Absorber Mirrors (SESAM's) for Femtosecond to Nanosecond Pulse Generation in Solid-State Lasers", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Band 2, Nr. 3, September 1996). Die Reflektivität eines solchen SESAM-Spiegels ist höher bei hohen Ochtintensitäten wegen Ausbleichens der Absorption. Ein SESAM-Spiegel besteht typischerweise aus einem reflektierenden Substrat, einer sättigbaren Halbleiter-Absorberstruktur und, fakultativ, einer zusätzlichen Reflexions- bzw. Antireflexionsschicht.Optically nonlinear materials are used in many applications. In optical information processing they are used e.g. B. used to switch light by means of light. In optical communication, they can be used to clean signals from disturbing noise, which arises, for example, from amplified spontaneous emission (ASE). Another area of application is laser physics, where such materials are used as saturable absorbers for passive mode coupling in laser resonators for the purpose of generating ultra-short laser pulses (in the femto- or picose customer range). The passive mode coupling can be achieved, for example, by using a mirror with saturable absorbers made of semiconductor materials (semiconductor saturable absorber miιτor, SESAM) as a resonator mirror (cf. U. Keller et al., "Semiconductor Saturable Absorber Mirrors (SESAM's) for Femtosecond to Nanosecond Pulse Generation in Solid-State Lasers ", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Volume 2, No. 3, September 1996). The reflectivity of such SESAM level is higher at high intensity levels due to the fading of the absorption. A SESAM mirror typically consists of a reflective substrate, a saturable semiconductor absorber structure and, optionally, an additional reflection or anti-reflection layer.
In Anwendungen wie den obigen spielen (nebst anderen) die Materialeigenschaften a) Antwortzeit, b) Absorptionsmodulation und c) nichtsättigbare Absorptionsverluste eine wesentliche Rolle und können deshalb als Schlüsselparameter bezeichnet werden. Folgende Anforderungen werden an diese Schlüsselparameter optisch nichtlinearer Materialien gestellt: a) die Antwortzeit soll der jeweiligen Anwendung anpassbar sein (bspw. im Pico- oder Femtosekundenbereich liegen); b) die Absorptionsmodulation soll hoch sein; c) die nichtsättigbaren Absorptionsverluste sollen niedrig sein.In applications such as the above, the material properties a) response time, b) absorption modulation and c) unsaturated absorption losses play an important role (and others) and can therefore be described as key parameters. The following requirements are placed on these key parameters of optically nonlinear materials: a) the response time should be adaptable to the respective application (for example in the pico or femtosecond range); b) the absorption modulation should be high; c) the unsaturated absorption losses should be low.
Bisher ist kein Material bekannt, welches all diese Anforderungen gleichzeitig in idealer Weise erfüllt. Vielmehr geht es in der Praxis darum, ein Material zu finden, welches die Anforderungen möglichst gut erfüllt. Oft bringt eine Massnahme zur Verbesserung eines Schlüsselparameters eine Verschlechterung eines anderen Schlüsselparameters mit sich. Gegebenenfalls muss also für eine bestimmte Anwendung ein nicht völlig befriedigenden, aber akzep- tabler Kompromiss zwischen teilweise entgegengesetzten Materialeigenschaften geschlossen werden.So far, no material is known that ideally fulfills all these requirements at the same time. Rather, in practice it is about finding a material that meets the requirements as well as possible. A measure to improve a key parameter often results in a deterioration of another key parameter. If necessary, a compromise that is not entirely satisfactory, but acceptable, between partially opposite material properties has to be made for a certain application.
Unter dem Begriff "Antwortzeit" wird in dieser Schrift diejenige Zeit verstan- den, während welcher die anfänglich schnelle Änderung der optischen Materi- - 3 -In this document, the term “response time” means the time during which the initially rapid change in the optical material - 3 -
aleigenschaften hauptsächlich durch Ladungsträgereinfang (trapping) bestimmt wird. Daneben werden die optischen Materialeigenschaften noch durch weitere, zumeist langsamere Mechanismen beeinflusst.all properties are mainly determined by trapping. In addition, the optical material properties are influenced by other, mostly slower mechanisms.
Als Beispiel für ein bekanntes optisch nichtlineares Mateial sei hier Gallium- arsenid (GaAs) genannt. Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung von GaAs ist die Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitasy, MBE). Normalerweise wird GaAs bei Temperaturen zwischen 500 und 800 °C aufgewachsen. Dieses Normalwachstum liefert beinahe ideale stöchiometrische Kristalle mit hohen Absorptionsmodulationen, niedrigen nichtsättigbaren Absorptionsverlusten, aber langen Antwortzeiten (im Bereich von 100 ps).Gallium arsenide (GaAs) may be mentioned here as an example of a known optically nonlinear material. The preferred method for producing GaAs is molecular beam epitasy (MBE). Usually GaAs is grown at temperatures between 500 and 800 ° C. This normal growth provides almost ideal stoichiometric crystals with high absorption modulations, low unsaturated absorption losses, but long response times (in the range of 100 ps).
Um den Nachteil langer Antwortzeiten zu beseitigen, kann das GaAs auch bei tieferen Temperaturen von ca. 180 bis 500 °C aufgewachsen werden. Bei diesem Tieftemperaturverfahren entstehen nicht-stöchiometrische Kristalle mit einer hohen Kristalldefektdichte. Die Kristalldefektdichte und damit auch das Tieftemperaturverfahren kann mit hilfe der Nahinfrarotabsorption (NTJ A) oder der magnetisch zirkulären Absorptionsdoppelbrechung (magnetic circular dichroism of absorption, MCDA) bestimmt bzw. festgestellt werden (vgl. z. B. X. Liu et al., "Mechanism responsible for the semi-msulating properties of low-temperature-grown GaAs", Appl. Phys. Lett. 65 (23), 5. Dezember 1994, S. 3002 ff). Tatsächlich erreicht man mit dem Tieftemperaturverfahren einstell- bare, kurze Antwortzeiten (im Bereich von Subpicosekunden bis mehrere 10 ps); diese Vorteile müssen jedoch durch niedrige Abso tionsmodulationen und hohe nichtsättigbare Absorptionsverluste erkauft werden. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein optisch nichtlineares Halbleitermaterial zu schaffen, welches zugleich beeinflussbare Antwortzeiten, hohe Absorptionsmodulationen und niedrige nichtsättigbare Absorptionsverluste aufweist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Materials anzugeben.To eliminate the disadvantage of long response times, the GaAs can also be grown at lower temperatures of approx. 180 to 500 ° C. This low-temperature process creates non-stoichiometric crystals with a high crystal defect density. The crystal defect density and thus also the low-temperature method can be determined or ascertained with the aid of near-infrared absorption (NTJ A) or magnetic circular dichroism of absorption (MCDA) (see, for example, BX Liu et al., "Mechanism responsible for the semi-msulating properties of low-temperature-grown GaAs ", Appl. Phys. Lett. 65 (23), December 5, 1994, pp. 3002 ff). In fact, the low-temperature method can be used to set short response times (in the range from subpicoseconds to several 10 ps); however, these advantages must be bought through low absorption modulations and high unsaturated absorption losses. It is an object of the invention to provide an optically nonlinear semiconductor material which at the same time has response times which can be influenced, high absorption modulations and low unsaturated absorption losses. Another object of the invention is to provide a method for producing such a material.
Die Aufgabe wird gelöst durch das erfmdungsgemässe Material und das erfin- dungsgemässe Verfahren, wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert sind.The object is achieved by the material according to the invention and the method according to the invention as defined in the independent patent claims.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass sich die obengenannten Schlüsselparameter a)-c) eines optisch nichtlinearen, bei tiefen Temperaturen aufge- wachsenen Halbleitermaterials wie z. B. GaAs durch die folgenden Massnahmen wesentlich, d. h. um bis zu einer Grössenordnung, verbessern lassen: i) Versetzen mit Fremdatomen und/oder ii) zusätzliches Ausheizen (annealing). Halbleitermaterialien, bei deren Herstellung mindestens eine dieser Mass- nahmen getroffen wurde, vereinigen erstaunlich günstige nichtlinear-optische Materialeigenschaften und kommen so auf bisher unerreichte Weise einer Optimierung der Schlüsselparameter nahe. Insbesondere weisen sie a) beeinflussbare Antwortzeiten, sowie zugleich b) hohe Absorptionsmodulationen (vergleichbar mit jenen von normal aufge- wachsenen Halbleitermaterialien) und c) niedrige nichtsättigbare Absorptionsverluste (vergleichbar mit jenen von normal aufgewachsenen Halbleitermaterialien) auf. Daher eignen sie sich ausgezeichnet für nichtlinear-optische Anwendungen, insbesondere in der optischen Informationsverarbeitung zum ultraschnel- len Schalten von Licht mittels Lichtes, in der optischen Kommunikation zur - 5 -Surprisingly, it was found that the above-mentioned key parameters a) -c) of an optically nonlinear semiconductor material grown at low temperatures, such as, for. B. Significantly improve GaAs by the following measures, ie by up to an order of magnitude: i) adding foreign atoms and / or ii) additional annealing. Semiconductor materials, in the production of which at least one of these measures has been taken, combine astonishingly favorable nonlinear-optical material properties and thus come close to optimizing the key parameters in an unprecedented way. In particular, they have a) response times which can be influenced, and at the same time b) high absorption modulations (comparable to those of normally grown semiconductor materials) and c) low unsaturated absorption losses (comparable to those of normally grown semiconductor materials). They are therefore excellently suited for non-linear-optical applications, in particular in optical information processing for the ultra-fast switching of light by means of light, in optical communication - 5 -
Säuberung von optischen Signalen von störendem Rauschen oder in der Ultrakurzpuls-Laserphysik als sättigbarer Absorber für ultrakurze Pulse aussendende Laser. Im letzteren Anwendungsgebiet eignet sich das erfindungsge- mässe Halbleitermaterial speziell für Spiegel mit mindestens einem sättig- baren Absorber aus diesem Halbleitermaterial.Cleaning of optical signals from disturbing noise or in ultrashort pulse laser physics as a saturable absorber for ultrashort pulse emitting lasers. In the latter application area, the semiconductor material according to the invention is particularly suitable for mirrors with at least one saturable absorber made of this semiconductor material.
Als Halbleitermaterial wird vorzugsweise ein ITJ-V-Halbleiter, bspw. Gallium- arsenid (GaAs), Indium-Galliumarsenid (InGaAs), Aluminiu -Galliumarsenid (AlGaAs) oder Indium-Galliumarsenid-Phospid (InGaAsP), gewählt. Das Halbleitermaterial wird vorzugsweise mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt. Ein anderes mögliches Herstellungsverfahren ist die Gasphasen- abscheidung, insbesondere die metallorganische Gasphasenabscheidung (me- talorganic chemical vapor deposition, MOCVD).An ITJ-V semiconductor, for example gallium arsenide (GaAs), indium gallium arsenide (InGaAs), aluminum gallium arsenide (AlGaAs) or indium gallium arsenide phosphide (InGaAsP), is preferably selected as the semiconductor material. The semiconductor material is preferably produced by means of molecular beam epitaxy (MBE). Another possible manufacturing process is gas phase deposition, in particular metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
Bei einer ersten erfindungsgemässen Verfahrensvariante wird ein Halbleitermaterial bei Temperaturen zwischen 180 und 500 °C hergestellt und mit Fremdatomen versetzt. Bei den Fremdatomen handelt es sich vorzugsweise um mindestens ein Akzeptormaterial, z. B. Beryllium (Be). Die Dotierung erfolgt vorzugsweise während des epitaktischen Wachstums des Halbleitermaterials in einer Ultrahochvakuumkammer im Molekularstrahl. Die Fremdatomkonzentration wird über das Verhältnis des Molel darstrahlflusses, bspw. von Be zu Ga und As, eingestellt. Eine solche Dotierung lässt sich nachträg- Hch z. B. mit Hilfe der Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS) feststellen. Typische Be-Konzentrationen liegen zwischen 1017 cm"3 und 1020 cm"3.In a first method variant according to the invention, a semiconductor material is produced at temperatures between 180 and 500 ° C. and mixed with foreign atoms. The foreign atoms are preferably at least one acceptor material, e.g. B. Beryllium (Be). The doping is preferably carried out during the epitaxial growth of the semiconductor material in an ultra-high vacuum chamber in the molecular beam. The impurity concentration is set via the ratio of the molar flux, e.g. from Be to Ga and As. Such doping can be done later. B. with the help of secondary ion mass spectroscopy (SIMS). Typical Be concentrations are between 10 17 cm "3 and 10 20 cm " 3 .
Bei einer zweiten erfindungsgemässen Verfahrensvariante wird das Halbleiter- material bei Temperaturen zwischen 180 und 500 °C hergestellt und anschlies- - 6 -In a second method variant according to the invention, the semiconductor material is produced at temperatures between 180 and 500 ° C. and then - 6 -
send ausgeheizt. Das Ausheizen kann während mindestens 10 Minuten bei Temperaturen zwischen 500 und 800 °C, oder auch als Kurzzeitausheizen (rapid thermal annealing, RTA) während bspw. 10 s bei ca. 600 bis 1000 °C erfolgen. Das Ausheizen führt meist zu einer gewissen Ausfällung (precipitate) einer Halbleiterkomponente; bei GaAs büden sich bspw. As-Kügelchen mit Durchmessern im Nanometerbereich, typischerweise zwischen 2 und 10 nm, mit einer Dichte von 1017 bis 1018 cm"3, (vgl. z. B. M.R. Melloch et al, "Formation of arsenic precipitates in GaAs buffer layers grown by molecular beam epitaxy at low Substrate temperatures, Appl. Phys. Lett. 57 (15), 8. Oktober 1990, S. 1531 ff); auch eine grössere Bandbreite der Dichte, bspw. von 1015 bis 1019 cm"3, ist möglich. Handelt es sich um ein As-haltiges HI-V-Halbleiterma- terial, so geschieht das Ausheizen vorzugsweise in einer As-Atmosphäre, um ein Verdrängen von As aus dem Halbleiter zu verhindern oder zumindest zu reduzieren.send heated. The bakeout can be carried out for at least 10 minutes at temperatures between 500 and 800 ° C, or as a short-term bake (rapid thermal annealing, RTA) for, for example, 10 s at about 600 to 1000 ° C. The baking usually leads to a certain precipitation of a semiconductor component; in the case of GaAs, for example, As spheres with diameters in the nanometer range, typically between 2 and 10 nm, with a density of 10 17 to 10 18 cm "3 , (see, for example, BMR Melloch et al.," Formation of arsenic precipitates in GaAs buffer layers grown by molecular beam epitaxy at low Substrate temperatures, Appl. Phys. Lett. 57 (15), October 8, 1990, pp. 1531 ff); a larger bandwidth of the density, for example from 10 15 to 10 19 cm "3 , is also possible. If it is an As-containing HI-V semiconductor material, the baking is preferably carried out in an As atmosphere prevent or at least reduce displacement of As from the semiconductor.
Die Versetzung mit Fremdatomen und/oder das Ausheizen führt zu einer erheblichen Verbesserung der Schlüsselparameter des Halbleitermaterials. Diese erfindungsgemässen Massnahmen bei der Herstellung bewirken, dass die Antwortzeiten wesentlich kürzer sind als bei Halbleitermaterialien, welche bei tiefen Temperaturen ohne Dotierung und ohne Ausheizen hergestellt wurden; trotzdem bleiben die Absorptionsmodulation hoch und die nichtsät- tigbaren Absorptionsverluste niedrig.The addition of foreign atoms and / or baking leads to a significant improvement in the key parameters of the semiconductor material. These manufacturing measures according to the invention have the effect that the response times are considerably shorter than in the case of semiconductor materials which were produced at low temperatures without doping and without baking out; nevertheless, the absorption modulation remains high and the unsaturated absorption losses are low.
Die günstigen Auswirkungen der Be-Dotierung und/oder des Ausheizens können durch folgendes Modell erklärt werden (vgl. das Modell für undotiertes, bei niedrigen Temperaturen gewachsenes GaAs in, z. B., U. Siegner et al., "Ultrafast high-intensity nonlinear absorption dynamics in low-temperature grown gallium arsenide", Appl. Phys. Lett. 69 (17), 21. Oktober 1996, S. 2566 - 7 -The beneficial effects of Be doping and / or baking can be explained by the following model (cf. the model for undoped GaAs grown at low temperatures in, e.g., U. Siegner et al., "Ultrafast high-intensity nonlinear absorption dynamics in low-temperature grown gallium arsenide ", Appl. Phys. Lett. 69 (17), October 21, 1996, p. 2566 - 7 -
ff). Die nichtsättigbaren Absorptionsverluste werden auf einen Übergang zwischen neutralen Antisites (bspw. AsGa°) im Halbleitermaterial (bspw. GaAs) und den Bandzuständen, welche sich 0.7 eV über dem unteren Ende des Leitungsbandes befinden, zurückgeführt. Wegen der hohen Neutrale-Anti- site-Konzentration und der hohen Dichte der Endzustände kann dieser Übergang nur bei sehr hohen LichtfTussdichten gesättigt werden. Die erfindungs- gemässe Be-Dotierung bzw. das erfindungsgemässe Ausheizen verringern nun beträchtlich die Konzentration der neutralen Antisites durch Änderung des Ladungszustandes der Defekte bzw. durch Ausfällung. Infolgedessen kann der Übergang zwischen den neutralen Antisites und dem Leitungsband zumindest teilweise gesättigt werden, wodurch die nichtsättigbaren Absorptionsverluste verringert und die Absorptionsmodulation erhöht wird.ff). The unsaturated absorption losses are attributed to a transition between neutral antisites (for example As Ga °) in the semiconductor material (for example GaAs) and the band states which are 0.7 eV above the lower end of the conduction band. Because of the high neutral-anti- site concentration and the high density of the final states, this transition can only be saturated at very high light flux densities. The doping according to the invention and the baking out according to the invention now considerably reduce the concentration of the neutral antisites by changing the charge state of the defects or by precipitation. As a result, the transition between the neutral antisites and the conduction band can be at least partially saturated, thereby reducing the unsaturated absorption losses and increasing the absorption modulation.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren detailliert erläutert. Die aufgeführten Beispiele beziehen sich auf GaAs; die Erfindung betrifft aber nicht nur dieses Halbleitermaterial, sondern auch andere Halbleitermaterialien. Es zeigen:The invention is explained in detail below with reference to figures. The examples listed relate to GaAs; however, the invention relates not only to this semiconductor material, but also to other semiconductor materials. Show it:
Fig. 1 die gemessene normierte differentielle Reflektivität gegenüber der Zeitverzögerung eines Testpulses zu einem kurzen Pumppuls für GaAs mit verschiedenen Be-Konzentrationen,1 shows the measured standardized differential reflectivity versus the time delay of a test pulse to a short pump pulse for GaAs with different Be concentrations,
Fig. 2 die gemessene normierte differentielle Reflektivität gegenüber der Zeitverzögerung eines Testpulses zu einem kurzen Pumppuls für ausgeheiztes und nicht ausgeheiztes GaAs,2 shows the measured standardized differential reflectivity versus the time delay of a test pulse to a short pump pulse for heated and unheated GaAs,
Fig. 3 die gemessene normierte differentielle Reflektivität gegenüber der Zeitverzögerung eines Testpulses zu einem langen Pumppuls für mit verschiedenen Verfahren hergestelltes GaAs, - 8 -3 shows the measured standardized differential reflectivity versus the time delay of a test pulse to a long pump pulse for GaAs produced using different methods, - 8th -
Fig. 4 gemessene Absorptionsmodulationen gegenüber der Wachstums- temperatur für GaAs mit verschiedenen Be-Konzentrationen,4 measured absorption modulations versus the growth temperature for GaAs with different Be concentrations,
Fig. 5 gemessene Absorptionsmodulationen gegenüber der Wachstums- temperatur für ausgeheiztes und nicht ausgeheiztes GaAs,5 measured absorption modulations versus the growth temperature for heated and unheated GaAs,
Fig. 6 gemessene nichtsättigbare Absorptionsverluste gegenüber der Wachstumstemperatur für GaAs mit verschiedenen Be-Konzentrationen,6 measured unsaturated absorption losses compared to the growth temperature for GaAs with different Be concentrations,
Fig. 7 gemessene nichtsättigbare Absorptionsverluste gegenüber der Wachstumstemperatur für ausgeheiztes und nicht ausgeheiztes GaAs,7 measured non-saturable absorption losses versus the growth temperature for heated and unheated GaAs,
Fig. 8 die gemessene Reflektivität gegenüber der Lichtflussdichte für GaAs mit verschiedenen Be-Konzentrationen und8 shows the measured reflectivity versus the light flux density for GaAs with different Be concentrations and
Fig. 9 einen schematischen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Spiegels mit sättigbaren Absorbern aus erfindungs- gemässen Halbleitermaterialien.9 shows a schematic cross section through a preferred embodiment of a mirror with saturable absorbers made of semiconductor materials according to the invention.
Figur 1 zeigt die gemessene normierte differentielle Reflektivität gegenüber der Zeitverzögerung eines Testpulses zu einem kurzen Pumppuls mit einer Pulslänge von 15 fs und einer Zentralwellenlänge von 750 nm. Die Messkurven beziehen sich auf bei 300 °C gewachsenes GaAs mit verschiedenen BeKonzentrationen, nämhch: Kurve 1.1: undotiertes GaAs, Kurve 2.1: GaAs mit einer Be-Konzentration von 1 • 1019 cm"3 und Kurve 3.1: GaAs mit einer Be-Konzentration von 3 • 1019 cm"3. - 9 -FIG. 1 shows the measured standardized differential reflectivity versus the time delay of a test pulse to a short pump pulse with a pulse length of 15 fs and a central wavelength of 750 nm. The measurement curves relate to GaAs grown at 300 ° C. with different concentrations, namely: curve 1.1: undoped GaAs, curve 2.1: GaAs with a Be concentration of 1 • 10 19 cm "3 and curve 3.1: GaAs with a Be concentration of 3 • 10 19 cm " 3 . - 9 -
Bei den Kurven 1.2, 2.2 bzw. 3.2 handelt es sich um Ausgleichskurven (fits) zu den entsprechenden Messwerten 1.1, 2.1 bzw. 3.1, wobei für die Ausgleichsrechnung die Funktion a + b - exp(-t/τ) verwendet wurde. Die so berechneten Zeitkonstanten r verringern sich von 480 fs über 390 fs bis 110 fs für die zunehmenden Be-Konzentrationen. Diese Messung demonstriert also eindrücklich die Beeinflussbarkeit der Antwortzeit durch die Be-Konzentration.Curves 1.2, 2.2 and 3.2 are compensation curves (fits) for the corresponding measured values 1.1, 2.1 and 3.1, whereby the function a + b - exp (-t / τ) was used for the compensation calculation. The time constants r calculated in this way decrease from 480 fs to 390 fs to 110 fs for the increasing Be concentrations. This measurement thus demonstrates impressively how the response time can be influenced by the Be concentration.
In Figur 2 ist dieselbe Messung für denselben Testpuls wie in Fig. 1 aufgetragen, jedoch für undotiertes, bei 300 °C gewachsenes GaAs. Kurve 4.1 zeigt Messwerte für nicht ausgeheiztes GaAs, Kurve 5.1 Messwerte für GaAs, welches nach dem Aufwachsen während einer Stunde bei 600 °C ausgeheizt wur- de. Kurven 4.2 bzw. 5.2 sind die entsprechenden Fits. Die Figur 2 beweist, dass die Antwortzeit auch beim erfindungsgemässe Verfahren mit Ausheizen beeinflussbar ist.The same measurement is plotted in FIG. 2 for the same test pulse as in FIG. 1, but for undoped GaAs grown at 300 ° C. Curve 4.1 shows measured values for unheated GaAs, curve 5.1 measured values for GaAs, which was heated for one hour at 600 ° C after growing up. Curves 4.2 and 5.2 are the corresponding fits. FIG. 2 proves that the response time can also be influenced with baking out in the method according to the invention.
Figur 3 zeigt die gemessene normierte differentielle Reflektivität gegenüber der Zeitverzögerung eines Testpulses zu einem langen Pumppuls mit einer Pulslänge von 100 fs und einer Zentralwellenlänge von 830 nm. Die Messkurven beziehen sich auf bei 300 °C gewachsenes GaAs, welches wie folgt hergestellt wurde: Kurve 6: undotiertes, nicht ausgeheiztes GaAs,FIG. 3 shows the measured normalized differential reflectivity versus the time delay of a test pulse to a long pump pulse with a pulse length of 100 fs and a central wavelength of 830 nm. The measurement curves relate to GaAs grown at 300 ° C., which was produced as follows: curve 6 : undoped, not heated GaAs,
Kurve 7: nicht ausgeheiztes GaAs mit einer Be-Konzentration von 3 • 1019 cm'3 und Kurve 8: undotiertes, während einer Stunde bei 600 °C ausgeheiztes GaAs. - 10 -Curve 7: unheated GaAs with a Be concentration of 3 · 10 19 cm '3 and curve 8: undoped GaAs heated for one hour at 600 ° C. - 10 -
Gemäss diesen Messungen lassen sich die Antwortzeiten mit dem erfindungsgemässen Verfahren, welches die Dotierung und/oder das Ausheizen beinhaltet, beeinflussen.According to these measurements, the response times can be influenced using the method according to the invention, which includes doping and / or baking.
Figur 4 zeigt gemessene Absorptionsmodulationen gegenüber der Wachstumstemperatur für GaAs mit verschiedenen Be-Konzentrationen. Dabei bedeuten: offene Quadrate: undotiertes GaAs, volle Kreise: GaAs mit einer Be-Konzentration von 1 • 1019 cm"3 und volles Dreieck: GaAs mit einer Be-Konzentration von 3 • 1019 cm"3.Figure 4 shows measured absorption modulations versus growth temperature for GaAs with different Be concentrations. Open squares mean: undoped GaAs, full circles: GaAs with a Be concentration of 1 • 10 19 cm " 3 and full triangle: GaAs with a Be concentration of 3 • 10 19 cm " 3 .
Die Messungen für undotiertes GaAs (offene Quadrate) bestätigen die bekannte Tatsache, dass bei hohen Temperaturen (≥ ca. 300 °C) aufgewachsenes GaAs befriedigend hohe Absorptionsmodulationen (um ca. 60 %) aufweist, bei tiefen Temperaturen ( < ca. 300 °C) aufgewachsenes GaAs hingegen nicht. Die erstaunliche Aussage von Fig. 4 ist, dass die Be-Dotierung die Absorptionsmodulation nicht erniedrigt (vgl. 300 °C), sondern sogar eher erhöht (vgl. 250 °C). Dabei ist zu beachten, dass die Antwortzeiten in Be-dotiertem Material viel kürzer sind. Undotiertes, bei tiefen Temperaturen aufgewachsenes GaAs mit vergleichbaren Antwortzeiten müsste bei ca. 200 °C aufgewachsen werden, wodurch die Absorptionsmodulation beträchthch sinkt und die nichtsättigbaren Absorptionsverluste beträchtlich grösser werden.The measurements for undoped GaAs (open squares) confirm the known fact that GaAs grown at high temperatures (≥ approx. 300 ° C) exhibits satisfactorily high absorption modulations (around 60%), at low temperatures (<approx. 300 ° C) ) grown up GaAs however not. The astonishing statement from FIG. 4 is that the Be doping does not lower the absorption modulation (cf. 300 ° C.), but rather increases it (cf. 250 ° C.). It should be noted that the response times in Be-doped material are much shorter. Undoped GaAs grown at low temperatures with comparable response times would have to be grown at approx. 200 ° C, whereby the absorption modulation drops considerably and the unsaturated absorption losses are considerably greater.
Die Messungen von Figur 5 sind analog zu denjenigen von Fig. 4, jedoch für undotiertes GaAs, wobei offene Quadrate: nicht ausgeheiztes GaAs und volle Rauten: während einer Stunde bei 600 °C ausgeheiztes GaAs bedeuten. Auch hier gilt, dass das erfindungsgemässe Ausheizen die Absorptionsmodulation nicht erniedrigt (vgl. 300-600 °C), sondern eher erhöht (vgl. 200-250 °C). - 11 -The measurements of FIG. 5 are analogous to those of FIG. 4, but for undoped GaAs, open squares: GaAs not heated and solid diamonds: GaAs heated at 600 ° C. for one hour. Here, too, the baking according to the invention does not lower the absorption modulation (cf. 300-600 ° C.), but rather increases it (cf. 200-250 ° C). - 11 -
Figur 6 zeigt gemessene nichtsättigbare Absorptionsverluste gegenüber der Wachstumstemperatur für GaAs mit verschiedenen Be-Konzentrationen, wobei dieselben Be-Konzentrationen und Symbole verwendet werden wir in Fig. 4. Die Messungen für undotiertes GaAs (offene Quadrate) bestätigen die be- kannte Tatsache, dass bei hohen Temperaturen (> ca. 300 °C) aufgewachsenes GaAs befriedigend niedrige nichtsättigbare Absorptionsverluste (um ca. 10 ) aufweist, bei tiefen Temperaturen ( < ca. 300 °C) aufgewachsenes GaAs hingegen nicht. Die erstaunliche Aussage von Fig. 6 ist, dass die Be-Dotierung die nichtsättigbaren Absorptionsverluste nicht erhöht, sondern sogar eher erniedrigt.FIG. 6 shows measured non-saturable absorption losses with respect to the growth temperature for GaAs with different Be concentrations, the same Be concentrations and symbols being used in FIG. 4. The measurements for undoped GaAs (open squares) confirm the known fact that at GaAs grown at high temperatures (> approx. 300 ° C) exhibits satisfactorily low unsaturated absorption losses (around approx. 10), but GaAs grown at low temperatures (<approx. 300 ° C) does not. The astonishing statement from FIG. 6 is that the Be doping does not increase the unsaturated absorption losses, but rather rather decreases them.
Die Messungen von Figur 7 sind analog zu denjenigen von Fig. 6, jedoch für undotiertes GaAs, wobei dieselben Ausheizbedingungen und Symbole ver- wendet werden wie in Fig. 5. Auch hier gilt, dass das erfindungsgemässe Ausheizen die nichtsättigbaren Absorptionsverluste nicht erhöht, sondern eher erniedrigt.The measurements of FIG. 7 are analogous to those of FIG. 6, but for undoped GaAs, the same heating conditions and symbols being used as in FIG. 5. Here too, the heating according to the invention does not increase the unsaturated absorption losses, but rather degraded.
Figur 8 zeigt die gemessene Reflektivität gegenüber der Lichtflussdichte für GaAs mit verschiedenen Be-Konzentrationen, nämlich: Kurve 9: undotiertes GaAs,FIG. 8 shows the measured reflectivity versus the light flux density for GaAs with different Be concentrations, namely: curve 9: undoped GaAs,
Kurve 10: GaAs mit einer Be-Konzentration von 1 • 1019 cm"3 und Kurve 11: GaAs mit einer Be-Konzentration von 3 • 1019 cm"3. Anhand der Kurve 11 werden verschiedene Bereiche der Lichtflussdichte diskutiert. Für niedrige Lichtflussdichten (< ca. 1 μJ/cm2) verhält sich das GaAs optisch linear, d. h. die Reflektivität hat einen konstanten Wert RQ ~ 40 %. Ab ca. 1 μJ/cm2 beginnen nichtlinear-optische Effekte eine Rolle zu spielen; die Reflektivität kann maximal um eine Absorptionsmodulation ΔR - 45 % variiert werden, abhängig von der Lichtflussdichte. Bei hohen Lichtfluss- - 12 -Curve 10: GaAs with a Be concentration of 1 • 10 19 cm "3 and Curve 11: GaAs with a Be concentration of 3 • 10 19 cm " 3 . Different ranges of the light flux density are discussed on the basis of curve 11. For low light flux densities (<approx. 1 μJ / cm 2 ) the GaAs behaves optically linear, ie the reflectivity has a constant value R Q ~ 40%. From approx. 1 μJ / cm 2 , nonlinear optical effects begin to play a role; the reflectivity can be varied by a maximum of an absorption modulation ΔR - 45%, depending on the light flux density. With high luminous flux - 12 -
dichten ( > ca. 1000 μJ/cm2) tritt eine Sättigung von ca. Rs ~ 85 % ein. Die nichtsättigbaren Absorptionsverluste berechnen sich gemäss R, = 100 % - Rs « 15 % .dense (> approx. 1000 μJ / cm 2 ) a saturation of approx. R s ~ 85% occurs. The non-saturable absorption losses are calculated according to R, = 100% - R s «15%.
In Figur 9 ist schematisch eine bevorzugte AusfLlhrungsform eines Spiegels 20 mit sättigbaren Absorbern aus erfindungsgemässen Halbleitermaterialien im Querschnitt dargestellt. Dabei stehen aus Gründern der übersichtlichen Darstellung die Dicken einzelner Elemente nicht unbedingt im richtigen Verhält- nis zueinander. Der Spiegel 20 besteht aus einem reflektierenden Substrat 21 und einer sättigbaren Halbleiter-Absorberstruktur 22. Fakultativ könnte auf der sättigbaren Halbleiter-Absorberstruktur 22 eine (nicht eingezeichnete) zusätzliche Reflexions- bzw. Antireflexionsschicht aufgebracht sein.FIG. 9 schematically shows a preferred embodiment of a mirror 20 with saturable absorbers made of semiconductor materials according to the invention in cross section. The founders of the clear presentation do not necessarily have the thicknesses of individual elements in the correct relationship to each other. The mirror 20 consists of a reflective substrate 21 and a saturable semiconductor absorber structure 22. Optionally, an additional reflection or anti-reflection layer (not shown) could be applied to the saturable semiconductor absorber structure 22.
Das reflektierende Substrat 21 ist vorzugsweise ein mit einem Bragg-Struktur 23 versehenes Trägersubstrat 24, bspw. aus GaAs. Die Bragg-Struktur 23 ist vorzugsweise als Stapel von Lambda- Viertel-Schichten 25.1, ..., 25.p bzw. 26.1, ..., 26.q aus Halbleitermaterialien und/oder Dielektrika ausgebildet, wobei sich Schichten 25.1, ..., 25.p tiefer Brechzahl mit Schichten 26.1, ..., 26.q hoher Brechzahl abwechseln; typischerweise ist p ~ q ~ 25. Die Lambda- Viertel- Schichten bestehen bspw. aus AlAs 25.1, ..., 25.p (n = 2.99 bei λ = 835 nm) bzw. aus undotiertem, nicht ausgeheiztem GaAs 26.1, ..., 26.q (n = 3.65 bei λ = 835 nm). Die sättigbare Halbleiter-Absorberstruktur 22 der beispielhaften Ausführungsform von Fig. 9 besteht aus: einer ersten AlAs-Schicht 27.1 mit einer Dicke von 75 nm, einer ersten nichtlinear-optischen, nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten GaAs-Schicht 28.1 mit einer Dicke von 15 nm, einer zweiten AlAs-Schicht 27.2 mit einer Dicke von 15 nm und - 13 -The reflective substrate 21 is preferably a carrier substrate 24 provided with a Bragg structure 23, for example made of GaAs. The Bragg structure 23 is preferably formed as a stack of lambda quarter layers 25.1, ..., 25.p or 26.1, ..., 26.q made of semiconductor materials and / or dielectrics, layers 25.1, .. ., 25.p alternate lower refractive index with layers 26.1, ..., 26.q higher refractive index; typically p ~ q ~ 25. The lambda quarter layers consist, for example, of AlAs 25.1, ..., 25.p (n = 2.99 at λ = 835 nm) or of undoped, unheated GaAs 26.1, .. ., 26.q (n = 3.65 at λ = 835 nm). The saturable semiconductor absorber structure 22 of the exemplary embodiment from FIG. 9 consists of: a first AlAs layer 27.1 with a thickness of 75 nm, a first non-linear optical GaAs layer 28.1 with a thickness of 15 nm produced by the method according to the invention , a second AlAs layer 27.2 with a thickness of 15 nm and - 13 -
einer zweiten nichtUnear-optischen, nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten GaAs-Schicht 28.2 mit einer Dicke von 5 nm. Ein solcher Spiegel 20 weist hohe Reflektivitäten von ca. R ≥ 0.99 (leicht abhängig von der einfallenden Lichtleistung) auf. Schematisch, als Pfeil 29, ist ein am Spiegel 20 reflektierter Lichtstrahl angedeutet.a second non-optical-optical GaAs layer 28.2 with a thickness of 5 nm produced by the method according to the invention. Such a mirror 20 has high reflectivities of approx. R ≥ 0.99 (slightly dependent on the incident light output). Schematically, as arrow 29, a light beam reflected on the mirror 20 is indicated.
Selbstverständlich ist es dem Fachmann möglich, bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung weitere erfindungsgemässe Spiegel mit sättigbaren Absorbern zu konstruieren. Of course, it is possible for the person skilled in the art to construct further mirrors according to the invention with saturable absorbers if the present invention is known.

Claims

- 14 -P A T E N T A N S P R Ü C H E - 14 -PATENT REQUESTS
1. Verfahren zur Herstellung eines optisch nichtlinearen Halbleitermaterials, bei welchem ein Halbleitermaterial bei Temperaturen zwischen 180 und 500 °C hergestellt und mit Fremdatomen versetzt wird.1. A method for producing an optically nonlinear semiconductor material, in which a semiconductor material is produced at temperatures between 180 and 500 ° C. and mixed with foreign atoms.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial mit mindestens einem Akzeptormaterial, vorzugsweise mit Beryllium (Be), versetzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the semiconductor material with at least one acceptor material, preferably with beryllium (Be), is added.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the semiconductor material is produced by means of molecular beam epitaxy (MBE).
4. Verfahren zur Herstellung eines optisch nichtlinearen Halbleitermaterials, bei welchem ein Halbleitermaterial bei Temperaturen zwischen 180 und 500 °C hergestellt und anschliessend ausgeheizt wird.4. A process for producing an optically nonlinear semiconductor material, in which a semiconductor material is produced at temperatures between 180 and 500 ° C. and then baked out.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausheizen während mindestens 10 Minuten bei Temperaturen zwischen 500 und 800 °C erfolgt. - 15 -5. The method according to claim 4, characterized in that the baking is carried out for at least 10 minutes at temperatures between 500 and 800 ° C. - 15 -
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausheizen während höchstens einer Minute bei Temperaturen zwischen 600 und 1000 °C erfolgt.6. The method according to claim 4, characterized in that the baking is carried out for a maximum of one minute at temperatures between 600 and 1000 ° C.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleitermaterial ein ITJ-V-Halbleiter gewählt wird.7. The method according to any one of claims 1-6, characterized in that an ITJ-V semiconductor is selected as the semiconductor material.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ILT.-V- Halbleiter Galliumarsenid (GaAs), Indium-Galliumarsenid (InGaAs), Aluminium-Galliumarsenid (AlGaAs) oder Indium-Galliumarsenid-Pho- spid (InGaAsP) ist.8. The method according to claim 7, characterized in that the ILT.-V semiconductor is gallium arsenide (GaAs), indium gallium arsenide (InGaAs), aluminum gallium arsenide (AlGaAs) or indium gallium arsenide phosphide (InGaAsP).
9. Halbleitermaterial, hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um bei Temperaturen zwischen 180 und 500 °C hergestelltes Be-dotiertes GaAs handelt.9. Semiconductor material produced by the method according to one of claims 1-8, characterized in that it is Be-doped GaAs produced at temperatures between 180 and 500 ° C.
10. Halbleitermaterial nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Be-Konzentration zwischen 1017 cm"3 und 1020 cm"3 aufweist.10. Semiconductor material according to claim 9, characterized in that it has a loading concentration between 10 17 cm "3 and 10 20 cm " 3 .
11. Halbleitermaterial, hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um bei Temperaturen zwischen 180 und 500 °C hergestelltes und nachträglich ausgeheiztes GaAs handelt. - 16 -11. Semiconductor material produced by the method according to one of claims 1-8, characterized in that it is GaAs produced and subsequently heated at temperatures between 180 and 500 ° C. - 16 -
12. Halbleitermaterial nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es As-Kügelchen mit Durchmessern zwischen 2 und 10 nm mit einer Dichte von 1015 bis 1019 cm"3 enthält.12. Semiconductor material according to claim 11, characterized in that it contains As spheres with diameters between 2 and 10 nm with a density of 10 15 to 10 19 cm "3 .
13. Verwendung des mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8 hergestellten Halbleitermaterials als nichtlinear-optisches Material.13. Use of the semiconductor material produced by the method according to any one of claims 1-8 as a nonlinear optical material.
14. Verwendung nach Anspruch 13 zum ultraschnellen Schalten von Licht mittels Lichtes, zur Säuberung von optischen Signalen von störendem Rauschen oder als sättigbarer Absorber für ultrakurze Pulse aussendende Laser.14. Use according to claim 13 for ultrafast switching of light by means of light, for cleaning optical signals from disturbing noise or as a saturable absorber for ultrashort pulse-emitting lasers.
15. Halbleitermaterial, hergestellt mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, für die Verwendung zur Herstellung von Produkten für die optische Informationsverarbeitung, die optische Telekommunikation oder die Ultraktirzpuls-Laserphysik.15. Semiconductor material, produced by the method according to any one of claims 1-8, for use in the manufacture of products for optical information processing, optical telecommunications or ultra-pulse laser physics.
16. Spiegel (20) mit mindestens einem sättigbaren Absorber (28.1, 28.2) aus mindestens einem Halbleitermaterial, welches mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8 hergestellt ist. 16. mirror (20) with at least one saturable absorber (28.1, 28.2) made of at least one semiconductor material, which is produced by the method according to any one of claims 1-8.
EP99913054A 1998-04-30 1999-04-20 Optically non-linear semiconductor material and a method for the production thereof Withdrawn EP1073933A1 (en)

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