EP1250738A2 - Halbleiterlaserstruktur - Google Patents

Halbleiterlaserstruktur

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EP1250738A2
EP1250738A2 EP00993790A EP00993790A EP1250738A2 EP 1250738 A2 EP1250738 A2 EP 1250738A2 EP 00993790 A EP00993790 A EP 00993790A EP 00993790 A EP00993790 A EP 00993790A EP 1250738 A2 EP1250738 A2 EP 1250738A2
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EP
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active layer
layers
laser structure
semiconductor laser
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Withdrawn
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Henning Riechert
Anton Yurevitch Egorov
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Infineon Technologies AG
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Definitions

  • InGaAs as an active layer in heterostructures on GaAs is not suitable for this wavelength range because the bandgap (energy band gap) in homogeneous InGaAs layers would require such a high proportion of indium that the layer became unusable for lasers due to structural relaxation.
  • heterostructures on GaAs can in principle also be used for long-wave emission if the emitting material is a potential well (quantum well) made of InGaAsN, whereby GaAs layers are mostly used as barrier layers above and below the active layer intended for radiation generation (see, for example, M. Kondow et al .: "GalnNAs: A Novel Material for Longvelength Semiconductor Lasers" in IEEE J. Select.
  • Gao 97 Inn 03 Nn oi Asn, 99 is located.
  • EP-A-0.896.406 is a semiconductor laser structure with an active layer from In N x As y P] __ x - y (0 ⁇ x ⁇ 1 and 0 ⁇ y ⁇ 1) between layers of Ga N x 'As y ' P] _- x '- y ' (0 ⁇ x ' ⁇ 1 and 0 ⁇ y ' ⁇ 1) are known.
  • the semiconductor laser structure according to the invention is based on the knowledge that the radiation emission in a wavelength range of 1.3 ⁇ m and above can be significantly improved if the properties of the barrier layers, which limit the active layer intended for radiation generation, with respect to the m of the heterostru occurring tensions and dislocations can be set more precisely.
  • material layers are present in the layer intended for radiation generation and in the barrier layers, which contain a III component, a V component and N (III and V corresponding to the groups of the periodic table of the elements).
  • the emission wavelength is set with the nitrogen component m of the active layer.
  • the active layer is usually highly compressively clamped because of the lattice constants of InGaAsN that are smaller than GaAs; This tension in the layer itself could only be removed by increasing the nitrogen content in this layer to approximately 1/3 of the indium content, which is not possible due to the poor results of the optical quality of the component.
  • the tensioning of the material of the barrier layers 2 can be adjusted in such a way that it at least partially compensates for the tensioning of the potential well, which is generally highly compressive, which is formed by the active layer between the barrier layers.
  • higher tensions in the potential well and thus greater layer thicknesses or higher indium contents
  • This enables longer-wave radiation emissions than with conventional GaAs Bamers.

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Abstract

In der aktiven Schicht (1) und in den Barriereschichten (2) sind eine III-Komponente, eine V-Komponente und N enthalten, wobei die aktive Schicht quaternäres Material und die Barriereschichten ternäres Material sind oder zur Gitteranpassung der aktiven Schicht an die Barriereschichten der Stickstoffanteil in den Barriereschichten höher ist. Die aktive Schicht ist vorzugsweise InGaAsN, die Barriereschichten sind InGaAsN mit höherem Stickstoffanteil oder GaAsN. In den Barriereschichten können Übergitter (superlattices) vorhanden sein, z.B. Folgen dünner Schichten aus Inx Ga1-x Asy N1-y mit unterschiedlichen Anteilen x und y, wobei insbesondere x = 0 und y = 1 sein kann.

Description

Beschreibung
Halblei erlaserStruktur
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiter-Schichtstruktur, die für die Herstellung von Laserdioden geeignet ist .
Für Wellenlangen der Strahlungsemission von ca. 1,3 μm wird üblicherweise das Material InGaAsP, vorzugsweise auf InP-
Substraten, verwendet. InGaAs als aktive Schicht in Hetero- strukturen auf GaAs ist für diesen Wellenlangenbereich nicht geeignet, da die Bandlucke (Energiebandabstand) in homogenen InGaAs-Schichten einen so hohen Anteil an Indium erfordern wurde, dass die Schicht wegen struktureller Relaxation für Laser unbrauchbar wurde. Es wurde jedoch nachgewiesen, dass HeteroStrukturen auf GaAs prinzipiell ebenso für langerwellige Emission eingesetzt werden können, wenn das emittierende Material ein Potentialtopf (quantum well) aus InGaAsN ist, wobei als Barriereschichten über und unter der für Strahlungserzeugung vorgesehenen aktiven Schicht zumeist GaAs- Schichten verwendet werden (s. z.B. M. Kondow et al.: "GalnNAs: A Novel Material for Long- avelength Semiconductor Lasers" m IEEE J. Select. Topics Quantum Electron. 3 , 719 - 730 (1997), M. Kondow et al.: "Gas-source MBE of GalnNAs for long-wavelength laser diodes" in J. Crystal Growth 188 , 255 - 259 (1998) und K. Nakahara et al . : "1.3-μm Continuous-Wave Lasing Operation in GalnNAs Quantum-Well Lasers" in IEEE Photon. Technol. Lett. 10, 487 - 488 (1998)). In der Verof- fentlichung von T. Miyamoto et al.: "A Novel GalnNAs-GaAs Quantum-Well Structure for Long-Wavelength Semiconductor Lasers" m IEEE Photonics Technology Letters 9, 1448-1450 (1997) ist eine Halbleiterlaserstruktur beschrieben, bei der eine als aktive Schicht vorgesehene QW-Schicht (quantum well) aus Gao,6 In0, Nn oi ^s0 99 zwischen Schichten aus
Gao 97 Inn 03 Nn oi Asn,99 angeordnet ist. Aus EP-A-0.896.406 ist eine Halbleiterlaserstruktur mit einer aktiven Schicht aus In Nx Asy P]__x--y (0 < x < 1 und 0 ≤ y < 1) zwischen Schichten aus Ga Nx' Asy' P]_-x' -y' (0 < x'< 1 und 0 < y'< 1) bekannt. Eine Halbleiterlaserstruktur mit einer aktiven Schicht aus Iny Gaι_y As _w_v Sbw Nv (v < 0,0095 und w+y > 0,33) zwischen Schichten aus Ga As]__z Pz (0 z ≤ 1) bzw. Iny Gaι_y As
(0,53 < y < 1) ist aus US-A-5.719.894 und US-A-5.825.796 bekannt .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine zur Herstel- lung von Laserdioden geeignete Halbleiter-Schichtstruktur anzugeben, die eine effiziente Strahlungsemission bei Wellenlangen von 1,3 μm und darüber ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit der Halbleiterlaserstruktur mit den Merkmalen des Anspruches 1, 4 bzw. 7 gelost. Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen abhangigen Ansprüchen.
Die erfmdungsgemaße Halbleiterlaserstruktur basiert auf der Erkenntnis, dass die Strahlungsemission m einem Wellenlan- genbereich von 1,3 μm und darüber wesentlich verbessert werden kann, wenn die Eigenschaften der Barriereschichten, die die für Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht begrenzen, im Hinblick auf die m der Heterostru tur auftretenden Verspannungen und Versetzungen genauer eingestellt wer- den. In der für Strahlungserzeugung vorgesehenen Schicht und in den Barriereschichten sind dazu Materlaizusammensetzungen vorhanden, die eine III-Komponente, eine V-Komponente und N enthalten (III und V entsprechend den Gruppen des Periodensystems der Elemente) . Mit dem Stickstoffanteil m der akti- ven Schicht wird die Emissionswellenlange eingestellt. In einer Ausfuhrungsform ist die aktive Schicht quaternares Material mit einem Anteil einer weiteren III-Komponente, und die Barriereschichten sind ternares Material; in einer weiteren Ausfuhrungsform sind die Schichten aus denselben chemischen Elementen zusammengesetzt und unterscheiden sich nur in den prozentualen Anteilen dieser Elemente (z.B. jeweils quaternares Material aus denselben Elementen mit unterschiedlichen Atomanteilen) , wobei aber der Stickstoffanteil m den Barriereschichten hoher ist als in der aktiven Schicht. Im Fall eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels im Mateπalsystem von GaAs sind sowohl in der aktiven Schicht als auch in den Bar- riereschichten Ga, As und N vorhanden. Die aktive Schicht ist dann vorzugsweise InGaAsN, die Barriereschichten sind InGaAsN mit höherem Stickstoffanteil oder GaAsN.
Eine andere Ausfuhrungsform umfasst Ubergitter (superlatti- ces) in den Barriereschichten, die durch eine Folge dunner
Schichten gebildet sind, die jeweils eine III-Komponente, eine V-Komponente und N n unterschiedlichen prozentualen Anteilen enthalten. Im Materialsystem von GaAs sind die Schichten, die das Ubergitter bilden, z.B. Inx Gaι_x Asy N]__y mit unterschiedlichen Anteilen x und y, wobei insbesondere x = 0 und y = 1 sein kann. Die Zusammensetzungen der einzelnen Schichten sind aber so gewählt, dass sich insgesamt in dem Ubergitter der gewünschte Anteil an Stickstoff bzw. Indium ergibt .
Erfmdungsgemaß lasst sich einerseits eine ausreichende Gitteranpassung der aufgewachsenen Schichten erreichen und andererseits ein ausreichend großer Sprung in der Energiebandlu- cke, wodurch ein Confinement bewirkt wird. Das Bamerenmate- rial muss nicht notwendigerweise die gesamte Schichtdicke des Bauelementes ber und. unter der aktiven Schicht einnehmen (bei einem VCSEL z.B. den Bereich zwischen den als Resonatorendspiegel fungierenden DBR-Gittern) . In der praktischen Ausfuhrung genügen Barriereschichten einer Dicke von typisch 50 nm; außerhalb kann beispielsweise als Mantelschicht GaAs sein. Es kann auch eine mehrstufige Verringerung der Energie- bandlucke m den Barriereschichten vorteilhaft sein.
Ein Beispiel der erfmdungsgemaßen HeteroStruktur wird im Folgenden anhand der Figuren beschrieben.
Figur 1 zeigt einen Schichtaufbau im Querschnitt. Figur 2 zeigt ein Energiediagramm für den Schichtaufbau der Figur 1.
Bei einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist die aktive Schicht 1 (siehe Figur 1) aus InGaAsN, und die angrenzenden Barriereschichten 2 sind aus Halbleitermateπal derselben Komponenten, aber mit geringerem Indiumgehalt und höherem Stickstoffgehalt . Der Anteil an Indium m den Barriereschichten kann auch vollständig reduziert sein, so dass die Barriereschichten 2 GaAsN sind. In Figur 1 ist als Beispiel die Struktur einer oberflachenemittierenden Laserdiode mit vertikalem Resonator (VCSEL) dargestellt. Die erforderliche Laserresonanz wird hier durch obere und untere DBR-Gitter 3 (distπbuted Bragg reflection) erzeugt. Die Anordnung befin- det sich vorzugsweise auf einem Substrat 4. Weitere Einzelheiten der Laserdiode, die wie die Anschlusskontakte an sich bekannt sind, wurden zur Verdeutlichung der erfmdungswesent- liehen Teile weggelassen.
Figur 2 zeigt ein Diagramm, in dem auf der linken Seite der
Verlauf der oberen Kante des Valenzbandes und auf der rechten Seite der Verlauf der unteren Kante des Leitungsbandes für den in Figur 1 dargestellten Schichtaufbau gezeichnet ist. Die für die aktive Schicht 1, die Barriereschichten 2 und die angrenzenden Gitter 3 geltenden Bereiche sind mit den entsprechenden Ziffern bezeichnet. Das Diagramm ist nicht im Maßstab gezeichnet, zeigt aber qualitativ richtig die typischen Relationen der Energiebandabstande in den einzelnen Schichten. Es ist dabei angenommen, dass die aktive Schicht 1 InGaAsN ist, und dass die Barriereschichten 2 ebenfalls
InGaAsN sind, aber mit einem im Vergleich zu dem Material der aktiven Schicht 1 verminderten Indiumgehalt. In Figur 2 sind gestrichelt eingezeichnet die entsprechenden Kurvenverlaufe für den Fall, dass die Barriereschichten 2 GaAs sind. Es ist erkennbar, dass bei Verwendung von InGaAsN für die Barriereschichten 2 ein gegenüber der Verwendung von GaAs verminderter Energiebandabstand in den Barriereschichten resultiert. Dieser reduzierte Energiebandabstand ergibt sich wie in der Figur 2 erkennbar daraus, dass m den Barriereschichten 2 die obere Kante des Valenzbandes geringer abgesenkt ist als die untere Kante des Leitungsbandes.
Die aktive Schicht ist bei einer Anordnung der Halbleiterlaserstruktur auf GaAs wegen der gegenüber GaAs kleineren Gitterkonstanten von InGaAsN üblicherweise stark kompressiv verspannt; diese Verspannung konnte m der Schicht selbst nur dadurch beseitigt werden, dass der Stickstoffanteil m dieser Schicht auf ca. 1/3 des Indiumanteils erhöht wurde, was sich aber wegen der schlechten Ergebnisse der optischen Qualltat des Bauelementes verbietet. Indem in den Barriereschichten erfmdungsgemaß GaAsN verwendet oder ein höherer Stickstoff- anteil als m der aktiven Schicht gewählt wird, werden die
Barriereschichten entgegengesetzt zu der aktiven Schicht verspannt .
In dem beschriebenen Mateπalsystem können die als Reflekto- ren vorgesehenen DBR-Gitter entsprechend herkömmlichen
Schichtstrukturen im Mateπalsystem von AlGaAs/AlAs hergestellt sein. Ebenso ist es möglich, Mantelschichten, Deckschichten oder dergleichen aus AlGaAs vorzusehen. Wesentlich für d e erfmdungsgemaße Schichtstruktur ist, dass sowohl die aktive Schicht 1 also auch die daran angrenzenden Barriereschichten 2 Stickstoff als Materialkomponente enthalten.
Eine weitere Ausgestaltung der Halbleiterlaserstruktur weist Ubergitter (superlattices) in den Barriereschichten auf. Die mittlere Gitterkonstante des Ubergitters ist vorzugsweise kleiner oder gleich der des Substratmaterials, damit eine zusatzliche Verspannung der Schichtstruktur vermieden wird. Die mittlere Energiebandlucke des Ubergitters liegt vorzugsweise zwischen derjenigen der aktiven Schicht, die mit den Barπe- ren den Potentialtopf bildet, und einer jeweils auf der davon abgewandten Seite an die Barriereschicht anschließenden Mantelschicht. Dabei ist darauf zu achten, dass für alle La- dungstrager, Elektronen und Locher, eine energetische Barriere zur aktiven Schicht vorhanden ist. Geeignete Ubergitter lassen sich, und zwar insbesondere auf GaAs als Substratmate- rial, z.B. durch Folgen von Schichten aus Inx Ga]__x Asy N]__y oder aus Inx Ga]__x Asy P]_-y mit unterschiedlichen prozentualen Atomanteilen x und y oder durch Folgen von Schichten aus InGaAsN und AlGaAsN, GaAsN oder GaAs bilden. Weitere Möglichkeiten sind Folgen aus InGaAs und GaAsN, GaAsP oder InGaP.
Als Vorteile der erfmdungsgemaßen Schichtstruktur sind insbesondere die folgenden zu nennen. Die Verspannung des Materials der Barriereschichten 2 kann so eingestellt werden, dass sie die m der Regel stark kompressive Verspannung des Potentialtopfes, der durch die aktive Schicht zwischen den Barriereschichten gebildet wird, zumindest teilweise kompensiert. Dadurch werden höhere Verspannungen des Potentialtopfes (und damit größere Schichtdicken oder höhere Indiumgehalte) möglich, ohne dass strukturelle Relaxation eintritt. Das ermöglicht langerwellige Strahlungsemission als mit herkomm- liehen GaAs-Bameren. Durch die kleinere Energiebandlucke des erfmdungsgemaßen Barrierematerials (im Vergleich zu GaAs-Barπeren) wird bei ansonsten gleich strukturiertem Potentialtopf der optische Übergang im Potentialtopf ms Lan- gerwellige verschoben, womit ebenfalls eine langerwellige Strahlungsemission erreicht wird. Durch den Einbau von Stickstoff in das Material der Barriereschichten wird das Verhältnis der Sprunge der Energiebandkanten an der Grenze zum Potentialtopf (Schichtgrenze zwischen aktiver Schicht 1 und Barriereschichten 2) mittels geeigneter Wahl des prozentualen Anteils des Stickstoffes beeinflussbar. Wahrend der Energiebandabstand in der aktiven Schicht 1 gleich bleibt, wird durch Absenken der oberen Kante des Valenzbandes im Material der Barriereschichten die Barrierewirkung (conf ement ) vergrößert. Das erhöht den energetischen E schluss von Lochern und damit die gesamte Rate an Elektron-Loch-Rekombmationen im Potentialtopf, was die Effizienz eines mit dieser Hetero- struktur versehenen Lasers erhöht. Durch die Wahl der Zusam- mensetzungen mit einem höheren Stickstoffgehalt der Barriereschichten bzw. der Verwendung von ternarem Material in den Barriereschichten und quaternarem Material in der aktiven Schicht kann eine Verspannung der aktiven Schicht zumindest teilweise derart kompensiert werden, dass auch bei großen Wellenlangen im Bereich von 1,3 μm an aufwärts eine effiziente Strahlungsausbeute erreicht wird.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterlaserstruktur mit einer für Strahlungserzeugung vorgesehenen aktiven Schicht (1) zwischen Barriereschichten (2), bei der die aktive Schicht (1) und die Barriereschichten (2) jeweils ein Halbleitermaterial sind, das eine III-Komponente, eine V-Komponente und Stickstoff enthält, bei der die Barriereschichten (2) ein Halbleitermaterial sind, das einen größeren Energiebandabstand aufweist als das Halbleitermaterial der aktiven Schicht (1), und bei der zur Gitteranpassung der aktiven Schicht (1) an die Barriereschichten (2) das Halbleitermaterial der Barriereschichten (2) einen höheren Anteil Stickstoff enthält als das Halbleitermaterial der aktiven Schicht (1).
2. Halbleiterlaserstruktur gemäß Anspruch 1, bei der die aktive Schicht (1) Inx Gaχ_x Asy N]_-y ist und bei der die Barriereschichten (2) Inχι Ga__x' Asy< N__y' mit y'< y, In Py> N__y< mit y'< y, In Asy> Py< > N]__y'_y' ■ mit y'+y' '< y, oder Ga Asy' N]__y> mit y'< y sind.
3. Halbleiterlaserstruktur gemäß Anspruch 1, bei der die aktive Schicht (1) GaAsSbN ist und bei der die Barriereschichten (2) GaAsSbN oder GaAsN sind.
4. Halbleiterlaserstruktur mit einer für Strahlungserzeugung vorgesehenen aktiven Schicht (1) zwischen Barriereschichten
(2) , bei der die aktive Schicht (1) und die Barriereschichten (2) jeweils ein Halbleitermaterial sind, das eine III-Komponente, eine V-Komponente und Stickstoff enthalt, bei der die Barriereschichten (2) ein Halbleitermaterial sind, das einen größeren Energiebandabstand aufweist als das Halbleitermaterial der aktiven Schicht (1) , und bei der zur Gitteranpassung der aktiven Schicht (1) an die Barriereschichten (2) die aktive Schicht (1) quaternares Halbleitermaterial und die Barriereschichten (2) ternares Halbleitermaterial sind.
5. Halbleiterlaserstruktur gemäß Anspruch 4, bei der die aktive Schicht (1) InGaAsN ist und bei der die Barriereschichten (2) InPN oder GaAsN sind.
6. Halbleiterlaserstruktur gemäß Anspruch 4, bei der die aktive Schicht (1) GaAsSbN ist und bei der die Barriereschichten (2) GaAsN sind.
7. Halbleiterlaserstruktur mit einer für Strahlungserzeugung vorgesehenen aktiven Schicht (1) zwischen Barriereschichten
(2), bei der die aktive Schicht (1) und die Barriereschichten (2) jeweils em Halbleitermaterial sind, das eine III-Komponente und eine V-Komponente enthalt, bei der die Barriereschichten (2) ein Halbleitermaterial sind, das einen größeren Energiebandabstand aufweist als das Halbleitermaterial der aktiven Schicht (1), und bei der zur Gitteranpassung der aktiven Schicht (1) an die Barriereschichten (2) die Barriereschichten (2) Folgen aus Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung sind, die em Ubergitter ( superlattice) bilden.
8. Halbleiterlaserstruktur gemäß Anspruch 7, bei der die Barriereschichten (2) Folgen von Schichten aus Inx Gaι_x Asy N]__ mit unterschiedlichen prozentualen
Atomanteilen x und y sind.
9. Halbleiterlaserstruktur gemäß Anspruch 7, bei der die Barriereschichten (2) Folgen von Schichten aus InGaAsN und AlGaAsN, aus InGaAsN und GaAsN, aus InGaAs und GaAsN oder aus InGaAsN und GaAs sind.
10. Halbleiterlaserstruktur gemäß Anspruch 7, bei der die Barriereschichten (2) Folgen von Schichten aus Inx Gaι-χ Asy Pi-y mit unterschiedlichen prozentualen Atomanteilen x und y sind.
11. Halbleiterlaserstruktur gemäß Anspruch 10, bei der die Barriereschichten (2) Folgen von Schichten aus InGaAs und GaAsP oder aus InGaAs und InGaP sind.
EP00993790A 2000-01-13 2000-12-04 Halbleiterlaserstruktur Withdrawn EP1250738A2 (de)

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DE10001122 2000-01-13
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EP (1) EP1250738A2 (de)
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