PL221156B1 - Struktura lasera półprzewodnikowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest struktura lasera półprzewodnikowego na podłożu GaN, AlGaN,

AI₂O₃, SiC, Si lub ze związków pochodnych, w której azotki grupy III (lub ich związki pochodne) stanowią warstwę falowodową, natomiast warstwy tlenkowe ZnO lub struktura studni kwantowych ZnO/ZnMgO tworzą obszar czynny. Struktura ta charakteryzuje się podwyższonym współczynnikiem F 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 ZnO są trudności z otrzymaniem tego tlenku o przewodnictwie typu p. Jest to związane z niską energią tworzenia defektów kompensujących przewodnictwo typu p, takich jak Zn oraz Vo z często występującym silnym domieszkowaniem wodorem. Wpływ na problemy z typem p 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 (2003)) 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” (US nr 006 806 503 B2). 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 przepływający przez złącze prąd elektryczny. Ponieważ diody laserowe charakteryzują się małymi rozmiarami, to mogą być łatwo sterowane prądem i umożliwiają uzyskanie promieniowania od podczerwieni do bliskiego nadfioletu. Diody laserowe 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 ta wartość ta wynosi 25 meV). W studniach kwa ntowych wartość ta wzrasta w przybliżeniu o dwa i pół raza. 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 struktu rach 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 35 055 613 dotyczący konstrukcji lasera na objętościowych kryształach ZnO pompowanych wiązką elektronów).

PL 221 156 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 nr 2010 0 080 256 A1 „High performance ZnO based laser diodes”.

Do trzeciej grupy należy zaliczyć jedyne doniesienie dotyczące struktur laserowych pompowanych elektrycznie Sheng Chu, et al. Appl. Phys. Lett. 93, 181106 (2008). Wykorzystując metodę MBE 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 czynnego.

Celem niniejszego wynalazku jest opracowanie struktury laserowej na bazie ZnO o podwyższonej wartości współczynnika Γ opisującego procentową zawartość promieniowania w warstwie aktywnej.

Struktura lasera według wynalazku posiada monokrystaliczne lub epitaksjalne podłoże GaN, GaAlN, InGaN, AlInN lub AlInGaN, falowód oraz obszar czynny. Obszar czynny wykonany jest z warstw tlenkowych ZnO, trzyskładnikowych lub czteroskładnikowych warstw pochodnych względem ZnO, w postaci warstw epitaksjalnych tworzących studnie kwantowe lub warstw zawierających kropki kwantowe czy nanodruty. W strukturze tej falowód jest przestrzennie odseparowany od obszaru czynnego i tworzy go warstwa o grubości od 2 do 200 nm, usytuowana w odległości mniejszej niż 200 nm nad ostatnią studnią kwantową lub ostatnią warstwą obszaru czynnego zawierającą kropki kwantowe lub nanodruty. Współczynnik załamania warstwy falowodowej jest większy niż 2,6.

Korzystnie jest, jeżeli warstwą tą jest warstwa InGaN lub AlGaN, lub InAIN albo AlGalnN.

Zastosowanie w strukturze według wynalazku jako falowodu warstwy o współczynniku załamania większym niż 2,6 powoduje modyfikację falowodu (w kierunku poprzecznym do warstw epitaksjalnych). Taka konstrukcja sprawia, że procentowy współczynnik zawartości promieniowania w warstwie aktywnej, oznaczany jako Γ jest 6 razy większy od współczynnika Γ dla takiej samej struktury bez ww warstwy.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku. Fig. 1. rysunku przedstawia schematycznie przekrój struktury lasera. Fig. 2 pokazuje profil współczynnika załamania w tej strukturze oraz pożądany mod optyczny. Fig. 3 pokazuje zależność natężenia pola w strukturze o zbyt cienkiej warstwie falowodowej, a fig. 4 pokazuje zależność wartości współczynnika Γ dla różnych grubości warstwy falowodowej.

Przykładowa struktura lasera posiada podłoże 1 GaN. Na nim osadzone są warstwy Ga70Al30N 2, Ga80A20N 3, GaN 4, a następnie obszar czynny 5 w postaci sekwencji pięciu warstw studni kwantowych ZnO przedzielonych warstwami barierowymi Zn0,8Mg0,2O. Rolę falowodu 6 pełni warstwa In0,002Ga0,998N:Si o grubości 72 nm, umieszczona w odległości 20 nm od ostatniej studni kwantowej obszaru czynnego 5. Współczynnik załamania warstwy falowodowej 6 wynosi 2,94.

Istotnym jest, aby ostatnia warstwa barierowa obszaru czynnego 5 oddzielająca studnię kwantową od falowodu miała odpowiednią grubość. Zagadnienie to jest ważne z punku widzenia technologii przyrządu: większa grubość tej warstwy ułatwia wykonanie kontaktu elektrycznego ale zmniejsza Γ.

Brak warstwy falowodowej 6 powoduje, że maksimum pola znajduje się w warstwie 4. Przy takim rozkładzie pola wartość V jest bardzo mała. Osadzenie warstwy 6 o właściwie dobranej grubości jest niezwykle istotne. Obliczenia, wykonane metodą macierzy przejścia wg J. Chilwell'a i I. Hodgkinson'a, Journal of Optical Society of America A. I, 742 (1984), potwierdzają, że zbyt cienki falowód doprowadzi w najlepszym wypadku do uzyskania modu o dwóch maksimach lokalnych - jednego w warstwie falowodowej InGaN M1 i drugiego w warstwie GaN M2 tak, jak zostało to zilustrowane na fig. 3. Pogrubianie warstwy 6 prowadzi do stopniowego „przelewania się” modu z warstwy 4 do warstwy 6.

Figura 4 pokazuje, że maksymalną wartość współczynnika Γ = 1,8% uzyskuje się dla warstwy falowodowej o grubości d = 68 nm. Wówczas maksimum M1 zdecydowanie dominuje nad M2, choć to ostatnie jest jeszcze widoczne. Dlatego, aby uniknąć ryzyka niepożądanego rozdwojenia wiązki laserowej, w przykładowej strukturze zastosowano warstwę 6 o grubości d = 72 nm. Przy takim doborze parametrów spadek współczynnika Γ jest nieznaczny (Γ = 1,6%), natomiast maksimum M2 przestaje być widoczne. Zastosowanie grubszej warstwy falowodowej prowadziłoby do niepotrzebnego zmniejszenia wartości Γ. Warto też podkreślić, że maksymalna wartość Γ = 1,8% jest 6-krotnie wyższa niż w przypadku zastosowania zbyt cienkiej warstwy falowodowej albo jej braku.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Struktura lasera półprzewodnikowego posiadająca monokrystaliczne lub epitaksjalne podłoże GaN, GaAIN, InGaN, AllnN lub AlInGaN, falowód oraz obszar czynny 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 (6) struktury jest przestrzennie odseparowany od obszaru aktywnego (5) i tworzy go warstwa o współczynniku załamania większym niż 2,6 znajdująca się w odległości mniejszej niż 200 nm nad ostatnią studnią kwantową obszaru czynnego (5) lub nad warstwą zawierającą kropki kwantowe lub nanodruty tego obszaru, przy czym grubość warstwy (6) wynosi od 2 do 200 nm.
2. 2. Struktura według zastrz. 1, znamienna tym, że falowodem (6) jest warstwa InGaN, AlGaN, InGaN lub AlInGaN.