PL221135B1 - Struktura lasera półprzewodnikowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest struktura lasera półprzewodnikowego na podłożu z Al2O3, SiC, Si lub z innych związków pochodnych, w której azotki grupy III (lub ich związki pochodne) tworzą warstwę falowodową, natomiast obszar aktywny wykonany jest z warstw tlenkowych ZnO. Struktura według wynalazku charakteryzuje się podwyższonym współczynnikiem Γ określającym zawartość promieniowania w obszarze czynnym.

Znane struktury laserów tego typu są najczęściej wytwarzane metodami epitaksjalnymi, na podłożach z azotków grupy III układu okresowego. Zwłaszcza tlenek cynku jest materiałem atrakcyjnym z punktu widzenia zastosowania przemysłowego, ponieważ jest to materiał tani, ogólnie dostępny, zaliczany jednocześnie do półprzewodników szeroko-przerwowych. Stabilną strukturą sieci krystalicznej kryształów ZnO, w temperaturze pokojowej, jest struktura wurcytu. Atutami tego materiału jest szeroka przerwa energetyczna, (wynosząca w temperaturze pokojowej 3,37 eV) oraz wysoka energia wiązania ekscytonu równa 60 meV w kryształach objętościowych. Cechy te powodują, że ZnO jest świetnym materiałem do zastosowań w optoelektronice.

Podstawowym problemem na jaki napotyka rozwój optoelektroniki opartej na tlenku cynku są trudności z otrzymaniem ZnO o typie przewodnictwa p. Jest to związane z niską energią tworzenia defektów kompensujących przewodnictwo typu p, takich jak Zni oraz Vo oraz z często występującym silnym domieszkowaniem wodorem. Wpływ na problemy z uzyskaniem p - typu przewodnictwa ma również niska rozpuszczalność domieszek akceptorowych. Potencjalne akceptory w ZnO to lit, sód, miedź, srebro oraz niektóre pierwiastki z kolumny V układu okresowego jak azot, fosfor czy arsen. Na podstawie licznych publikacji (na przykład zbiorcza praca Ózgϋr'a Journal of Applied Physics 98, 041301 (2005)) można odnotować ogromny postęp w uzyskiwaniu ZnO typu p, zwłaszcza przez domieszkowanie azotem i antymonem. Jednakże, problem uważa się nadal za nierozwiązany.

Pewnym wyjściem wydaje się być użycie innego półprzewodnika jako warstwy o typie przewodnictwa p, jak na przykład azotku galu. To rozwiązanie opisane jest w patencie “Light emitting diode and laser having n-type ZnO layer and p-type semiconductor layer” (US006806503B2). W przypadku struktury laserowej, w której obszar aktywny (obszar z którego zachodzi emisja światła) znajduje się w warstwie tlenków (ZnO/ZnMgO), użycie azotków jako warstwy typu p jest niekorzystne ze względu na dużą różnicę współczynników załamania, pomiędzy warstwą aktywną a podłożem.

Lasery półprzewodnikowe (diody laserowe) mają postać złącza p-n, w którym generacja światła jest wywołana przez prąd elektryczny przepływający przez złącze. Ponieważ diody laserowe charakteryzują się małymi rozmiarami, to mogą być łatwo sterowane prądem i umożliwiają uzyskanie promieniowania od podczerwieni do bliskiego nadfioletu. Diody takie są wielowarstwowymi strukturami półprzewodnikowymi, w których z jednej strony występuje materiał typu n (nadmiar elektronów w paśmie przewodnictwa) a z drugiej strony materiał typu p (nadmiar dziur w paśmie walencyjnym). Przy dostatecznie dużym prądzie (powyżej prądu progowego) następuje inwersja obsadzeń i wywołana tym akcja laserowa. W znanej diodzie, wykonanej w układzie ZnO/ZnMgO na warstwie azotków grupy III różnica współczynników załamania jest niekorzystna, co uniemożliwia powstanie światłowodu i powoduje, że światło propaguje wewnątrz warstw azotkowych, a nie wewnątrz warstwy ZnO/ZnMgO. Lasery z obszarem czynnym wykonanym z materiałów tlenkowych mogłyby potencjalnie konkurować z laserami, w których obszar czynny tworzą warstwy azotkowe. Pierwszym elementem przewagi laserów z tlenkowymi obszarami czynnymi jest energia wiązania ekscytonu, która w objętościowym ZnO wynosi 60 meV (dla GaN wartość ta wynosi 25 meV). W studniach kwantowych wartość ta wzrasta w przybliżeniu o dwa i pół razy. Drugim atutem struktur ZnO/ZnMgO jest znacznie wyższe wzmocnienie. Jak wykazały obliczenia opublikowane przez Park'a, Jpn. J. Appl. Phys., 44. L1403 (2005), wartość wzmocnienia jest trzykrotnie wyższa dla struktury ZnO/Zn0,8Mg0,2O niż w analogicznej strukturze GaN/Ga0.8Al0.2O. Jest to związane z niższą wartością wbudowanych pól elektrycznych w strukturach ZnO/ZnMgO, a więc - w konsekwencji - mniejszą przestrzenną separacją dziur i elektronów i wyższą wartością optycznych elementów macierzowych.

Dotychczasowe prace dotyczące emisji laserowej z tlenku cynku można podzielić na trzy grupy.

Do pierwszej można zaliczyć prace dotyczące akcji laserowej otrzymane na kryształach objętościowych i warstwach epitaksjalnych (publikacje: ϋ. Ózgϋr et al. Appl. Phys. Lett. 84, 3223 (2004). D. M Bagnall, et al. Appl. Phys. Lett. 70, 2230 (1997). Y. Chen et al. Appl. Phys. Lett. 78, 1469 (2001) oraz np. patent nr US 35055613 dotyczący konstrukcji lasera na objętościowych kryształach ZnO pompowanych wiązką elektronów).

PL 221 135 B1

Do drugiej grupy można zaliczyć prace wykonane na różnego typu strukturach kwantowych, pompowanych optycznie (publikacja Jian Cui, et al Appl. Phys. Lett. 89, 051108 (2006) oraz zgłoszenie patentowe US 20100080256A1 High performance ZnO based laser diodes.

Do trzeciej grupy należy zaliczyć doniesienie dotyczące struktur laserowych pompowanych elektrycznie Sheng Chu. et al. Appl. Phys. Lett. 93, 181106 (2008). Wykorzystując metodę MBL z plazmą wzbudzoną techniką ECR, na krzemowym podłożu osadzono warstwę ZnO o typie przewodnictwa p (domieszkując ZnO antymonem). Na tej warstwie osadzono następnie warstwy obszaru aktywnego.

Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie struktury laserowej, o podwyższonej wartości współczynnika Γ opisującego procentową zawartość promieniowania w obszarze aktywnym.

Struktura lasera według wynalazku posiada podłoże z Al2O3, SiC lub Si, lub ze związków pochodnych. Obszar aktywny wykonany z warstw tlenkowych ZnO, trzyskładnikowych lub czteroskładnikowych warstw pochodnych względem ZnO, w postaci warstw epitaksjalnych tworzących studnie kwantowe lub warstw zawierających kropki kwantowe lub nanodruty oraz falowód.

W strukturze tej falowód jest przestrzennie odseparowany od obszaru aktywnego i znajduje się pomiędzy podłożem, a obszarem aktywnym w odległości mniejszej niż 500 nm od pierwszej studni kwantowej lub od warstwy zawierającej kropki kwantowe lub nanodruty obszaru czynnego. Grubość warstwy falowodowej wynosi od 2 do 200 nm. Korzystnie jest jeżeli warstwą falowodową jest warstwa GaN lub InGaN, AlGaN, InAIN, InAlGaN o grubości większej niż 20 nm.

Wartość współczynnika określającego zawartość promieniowania w obszarze czynnym Γ w przykładowej strukturze wynosi 4%, a to umożliwia wzbudzenie modu optycznego.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku. Fig. 1 rysunku prezentuje przekrój struktury, Fig. 2 - profil współczynnika załamania w tej strukturze oraz mod optyczny, Fig. 3 - zależność procentowego współczynnika zawartości promieniowania w warstwie aktywnej od grubości warstwy falowodowej.

Przykładowa struktura lasera posiada szafirowe (AI₂O₃) podłoże 1, na którym znajduje się odseparowany przestrzennie falowód 2 w postaci warstwy azotku ganu (GaN). Na warstwie falowodowej znajdują się warstwy obszaru czynnego ze studniami kwantowymi ZnO oddzielonymi warstwami barierowymi Zn0.8Mg0.2O 3. W przykładowej strukturze zastosowano warstwę falowodową 2 z GaN o grubości 60 nm umieszczoną w odległości 10 nm pod pierwszą studnią kwantową obszaru aktywnego, która zawiera studnie kwantowe ZnO. Na warstwach obszaru czynnego znajduje się warstwa o przewodnictwie typu n 4 tlenku cynku (ZnO) o grubości 500 nm.

Podkreślić należy, że warstwa falowodowa musi mieć odpowiednią grubość gdyż zastosowanie warstwy zbyt cienkiej albo jej brak uniemożliwi generację prowadzonego modu optycznego. Dzięki umieszczeniu w odpowiedniej odległości od obszaru aktywnego 3 struktury warstwy falowodowej 2 o dobranej odpowiednio grubości, uzyskano zawartość promieniowania w obszarze czynnym określaną wartością współczynnika Γ=4,5%, co w stosunku do znanych rozwiązań jest znacznym osiągnięciem (Fig. 3).

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Struktura lasera półprzewodnikowego posiadająca podłoże AI₂O₃, SiC, Si lub z innych związków pochodnych, falowód oraz obszar aktywny wykonany z warstw tlenkowych ZnO, trzyskładnikowych lub czteroskładnikowych warstw pochodnych względem ZnO, w postaci warstw epitaksjalnych tworzących studnie kwantowe lub warstw zawierających kropki kwantowe lub nanodruty, znamienna tym, że falowód (2) jest przestrzennie odseparowany od obszaru aktywnego (3) struktury i osadzony jest pomiędzy obszarem aktywnym (3) a podłożem (1) w odległości mniejszej niż 500 nm pod pierwszą studnią kwantową lub pod warstwą zawierającą kropki kwantowe lub nanodrutv obszaru czynnego (3), przy czym grubość warstwy (2) wynosi od 2 do 200 nm.
2. 2. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że falowód jest warstwą GaN, lub warstwą InGaN, AlGaN, InAlN lub InAlGaN, o grubości większej niż 20 nm.