WO2018206443A1 - Semiconductor laser - Google Patents
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- H01S2301/17—Semiconductor lasers comprising special layers
- H01S2301/173—The laser chip comprising special buffer layers, e.g. dislocation prevention or reduction
Definitions
- the invention relates to a semiconductor laser, in particular an indium-containing one
- Indium-containing nitride compound semiconductor materials are used in particular for the production of semiconductor lasers which emit laser radiation in the blue or green spectral range, for example.
- indium-containing nitride compound semiconductor materials can give rise to defect clusters which act as absorption centers and can degrade the efficiency of the semiconductor laser.
- the semiconductor laser comprises a substrate, one on the substrate
- the substrate is in particular a growth substrate suitable for the epitaxial growth of the semiconductor layer sequence.
- Defect mobility reduction layer which preferably directly adjoins the substrate.
- Semiconductor laser in particular designed to reduce the propagation of defects from the substrate and thus counteract formation of defect clusters.
- Defect mobility reduction layer is one
- Semiconductor layer sequence arranged, which in particular comprises the active layer of the semiconductor laser.
- the active layer is intended to emit laser radiation.
- the active layer can be used, for example, as a pn junction, as a double heterostructure, as a single layer
- Quantum well structure or multiple quantum well structure
- quantum well structure encompasses any structure, in the case of the charge carriers
- Quantization includes quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
- the active layer preferably comprises at least one indium-containing nitride compound semiconductor material.
- the active layer or at least a sub-layer thereof For example, in x AlyGa ] _- x -yN with 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 and x
- the active layer is a multiple quantum well structure with alternating quantum well layers of In x] _Ga ] __ x] _N where 0 ⁇ xl ⁇ 1 and
- the defect mobility reducing layer is advantageously doped with silicon
- Defect mobility reduction layer is preferably at least 1 ⁇ 10 19 cm -3 . Furthermore, the
- Defect mobility reduction layer has a thickness of at least 100 nm.
- the thickness of the semiconductor substrate has a thickness of at least 100 nm.
- the inventors have recognized in particular that it is at
- V-pits growth of indium-containing III-N compound semiconductors (e.g., InGaN) to form V-shaped defects (V-pits) can occur at dislocations originating from the substrate (at
- the dislocation density of the substrate may be at
- GaN substrate for example, about
- Nitridharmaleitermaterial in crystal orientations different from the c-axis and it forms an area with different thickness and indium content in Compared to areas in c-direction.
- Quantum efficiency is significantly reduced in the vicinity of such dislocations or defects.
- the defects are visible, for example, in a photoluminescence microscope or
- Cathodoluminescence microscope typically have a diameter of less than 1 ym.
- defect clusters are also visible in a photoluminescence microscope or cathodoluminescence microscope and have a diameter of more than 1 ⁇ m, typically 20 ⁇ m to 40 ⁇ m. It has been found that the formation of defect clusters in particular of the integral amount of indium in the
- Deposited layers depends on the growth temperature of the overlying layers and the defect density and the substrate or the buffer layers.
- the defect clusters can reduce the efficiency of the semiconductor laser and act as absorption centers. This allows the
- the defect mobility reduction layer described herein therefore aims to counteract the formation of defect clusters.
- the semiconductor laser described here makes particular use of the fact that the mobility of
- Agility defect reduction layer having a high dopant concentration of at least 1 * 10 19 cm -3, and a large thickness of at least 100 nm can be reduced.
- the propagation of dislocations from the substrate into the semiconductor layer sequence is reduced by the defect mobility reduction layer.
- the defect mobility reducing layer it is possible to reduce the number of defect clusters as compared with a semiconductor laser of otherwise the same layer structure and growth conditions, particularly the same
- Dopant concentration of at least 1 ⁇ 10 19 cm -3 is advantageous, as already mentioned, in order to minimize the defect mobility.
- the dopant concentration should not be too high, otherwise the morphology of the defect mobility reduction layer will be detrimental
- the dopant concentration is not more than 3 * 10 19 cm -3, and preferably not more than 2 * 10 19 cm -3 .
- the dopant concentration is particularly preferably
- defect-reducing effect of the defect mobility reducing layer can be further improved by increasing the thickness.
- the Defect mobility reduction layer at least 500 nm thick.
- the Defect mobility reduction layer at least 1000 nm or more preferably even at least 1500 nm thick.
- the defect mobility reduction layer has as large a distance as possible from the active layer of the semiconductor laser. The distance
- the defect mobility reducing layer and the active layer is preferably at least 1000 nm, particularly preferably at least 1500 nm.
- absorption effects due to free charge carriers are advantageously very low due to the high dopant concentration in the defect mobility reducing layer.
- typical laser parameters such as the steepness of the laser characteristic at such a large distance from the active layer are not adversely affected by the defect mobility reducing layer.
- a GaN substrate is characterized in particular by a particularly low
- Dislocation density of the substrate arise in the growth of the semiconductor layer sequence less defect clusters.
- particularly low defect cluster densities can be achieved.
- the substrate is preferably an n-doped substrate, in particular an n-doped GaN substrate.
- the substrate is preferably electrically conductive. This has the advantage that a flow expansion can take place in the substrate.
- An electrical contact of the semiconductor laser can be arranged, for example, on a rear side of the substrate. With a sufficiently thick substrate that is electrically is conductive, can be advantageously dispensed with a StromaufWeitungs Mrs in the semiconductor layer sequence and so the absorption in the semiconductor layer sequence can be reduced.
- the substrate may, for example, be at least 100 ⁇ m thick. Preferably, the thickness of the substrate is between 100 ym and 150 ym. The thickness of the substrate is to be understood here as meaning the thickness of the substrate in the finished semiconductor laser.
- the substrate may be used in the epitaxial deposition of
- Semiconductor layers have a greater thickness, for example about 400 ym, and are subsequently thinned.
- the semiconductor laser is advantageously characterized by a particularly low defect cluster density, which is achieved in particular by means of the defect mobility reduction layer.
- Defect clusters can in particular by means of a
- Photoluminescence microscope can be detected. Defect clusters show up in the photoluminescence microscope as dark spots and have a diameter of more than 1 ym,
- the defect cluster density of the semiconductor laser is preferably less than 200 cm -2 , more preferably less than 100 cm -2 .
- a defect cluster density in the range of 30 cm -2 to 200 cm -2 can be achieved.
- the defect cluster density can be reduced by a factor of about 30.
- the defect cluster density may be between 1000 cm 2 and 5000 cm -2 .
- the semiconductor layer sequence has an n-side cladding layer, an n-side waveguide layer, the active layer, a p-side waveguide layer and a p-side cladding layer.
- the cladding layers have in particular
- Waveguide layers has.
- the cladding layers may, for example, comprise AlGaN and the waveguide layers InGaN.
- the defect mobility reducing layer of the semiconductor laser is advantageously arranged between the substrate and the n-side cladding layer.
- the semiconductor layer sequence of the semiconductor laser can in particular be based on an indium
- Semiconductor layer sequence or at least one layer thereof comprises an indium-containing III-nitride compound semiconductor material, preferably In x Al y Gai- x - y N, where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1 and x + y ⁇ 1 this material does not necessarily have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it can have one or more dopants and additional constituents. For the sake of simplicity, however, the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (In, Al, Ga, N), even if these may be partially replaced by small amounts of other substances.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a cross section through a semiconductor laser according to a
- FIG. 2 shows a schematic representation of the intensity of the optical wave in the case of a semiconductor laser emitting in the blue spectral range according to an embodiment
- Figure 3 is a schematic representation of the intensity I of the spontaneous electroluminescence emission at a current of 400 mA as a function of the wavelength ⁇ for various embodiments of the semiconductor laser with the De Stammbewegeries Reduzi réelles slaughter and Comparative Examples without the De Stammbewegeries Reduzi réelles harsh.
- a semiconductor layer sequence 9 that has an n-type semiconductor region 3, a p-type semiconductor region 5, and an n-type semiconductor region 3 and the p-type semiconductor region 5 arranged for emission of radiation suitable active
- Layer 4 comprises.
- the n-type semiconductor region 3 and the p-type semiconductor region 5 may each consist of several Sub-layers 3A, 3B, 5A, 5B, 5C and not necessarily exclusively of n-doped
- Layers or p-doped layers may for example also have one or more undoped layers.
- the semiconductor layer sequence 9 has in particular
- Nitride compound semiconductor materials The on
- Semiconductor laser 10 can in particular for the emission of
- a first connection layer 6 on a semiconductor laser For electrical contacting of the semiconductor laser 10, for example, a first connection layer 6 on a semiconductor laser 10.
- Subregion of the top 8 of the semiconductor laser 7 and a second connection layer 7 may be provided on a back side of the substrate 1.
- the semiconductor laser 10 can be known in the art per se semiconductor laser embodiments such as reflective layers on the side facets, and / or structuring as a stripe laser. Such known details are not here for simplicity
- Layer 4 of the semiconductor laser 10 is preferably as
- Single or multiple quantum well structure formed having one or more barrier layers 4A and one or more quantum well layers 4B.
- the electronic band gap of the at least one quantum well layer 4B is smaller than the electronic band gap of the at least one
- quantum well structure is between including 1 and inclusive 5, preferably 1 or 2.
- the semiconductor laser has a single quantum well structure (single quantum well).
- the active layer 4 of the semiconductor laser 10 is based
- the active layer 4 may in particular comprise alternating quantum well layers 4B made of In x iGai- x iN with 0 ⁇ xl -S 1 and barrier layers 4A
- the active layer 4 of the semiconductor laser is preferably arranged between an n-side waveguide layer 3A and a p-side waveguide layer 5A.
- Waveguide layers 3A, 5A may in particular comprise InGaN.
- the waveguide formed by the waveguide layers 3A, 5A is, for example, of an n-side
- the cladding layers 3B, 5B preferably have AlGaN.
- Sheath layers 3B, 5B may each consist of several
- Sublayers be composed, which are not shown here for simplicity. Between the p-side
- Cladding layer 5B and the first terminal layer 6 is preferably arranged a p-contact layer 5C, the
- GaN may have.
- the semiconductor layer sequence 3, 4, 5 is applied to a substrate 1, wherein between the substrate 1 and the
- Defect mobility reduction layer 2 is a silicon doped GaN layer.
- the dopant concentration of silicon in the defect mobility reducing layer is advantageously at least 1 ⁇ 10 19 cm -3 . Due to the comparatively high dopant concentration in the defect mobility reducing layer
- Defect mobility reduction layer 2 becomes the
- Defect mobility reduction layer 2 should be at least 100 nm, but with larger layer thicknesses
- the thickness D of the defect mobility reduction layer 2 is at least 500 nm and preferably at least 1000 nm. A particularly good
- Reduction of the defect density can be achieved when the thickness D of the defect mobility reducing layer 2 is at least 1500 nm.
- the substrate 1 is in particular for epitaxial
- the substrate 1 is an n-doped GaN substrate.
- a GaN substrate is advantageously characterized by a particular in
- the defect density may be, for example, between 5 * 10 4 cm -2 and 5 * 10 6 cm -2 .
- defect clusters are groups of To understand defects having a lateral extent of more than 1 ym, in particular in the range of 20 ym to 40 ym. Such defect clusters show up, for example, in a study of the semiconductor layer sequence 9 by means of photoluminescence microscopy as dark spots.
- the defect mobility reducing layer 2 can be
- the defect cluster density is less than 200 cm -2 , preferably less than 100 cm -2 .
- the active layer 4 preferably has a large distance d from the
- the distance d is preferably at least 1000 nm and especially
- FIG. 2 schematically shows the course of the optical wave in the case of a semiconductor laser emitting in the blue spectral region according to an exemplary embodiment. Shown is the intensity of the optical wave as a function of one of
- a distance d between the active layer and the defect mobility reducing layer 2 is preferably more than 1.5 ⁇ m. In this case, the optical wave in the region of the defect mobility
- FIG. 3 shows a schematic representation of the intensity I of the spontaneous electroluminescence emission in a
- Defect mobility reduction layer (interpolation line 12) on average have higher spontaneous emission than the examples without the defect mobility reduction layer (interpolation line 13).
- the measured spontaneous emission is a measure of the quantum efficiency of the semiconductor laser. It turns out that the means of defect mobility
- the defect mobility reducing layer is therefore particularly advantageous in a semiconductor laser having one for a
- Nitride compound semiconductor laser comparatively large
- the defect mobility reduction layer is particularly advantageously applicable to active layers having a comparatively high indium content.
- the invention is not limited by the description with reference to the embodiments. Rather, the includes
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Abstract
The invention relates to a semiconductor laser (10), comprising a substrate (1), a defect mobility reduction layer (2) arranged on the substrate (1), and a semiconductor layer sequence (9) arranged on the defect mobility reduction layer (2), which semiconductor layer sequence comprises an active layer (4), the active layer (4) containing a nitride compound semiconductor material containing indium. The defect mobility reduction layer (2) comprises silicon-doped InxAlyGa1- x-yN with 0 ≤ x ≤ 0.03 and 0 ≤y ≤ 0.03, the dopant concentration in the defect mobility reduction layer (2) being between 1 * 1019 cm-3 and 3 * 1019 cm-3. The defect mobility reduction layer (2) has a thickness of at least 500 nm.
Description
Beschreibung description
HALBLEITERLASER Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, insbesondere einen auf einem Indium enthaltenden SEMICONDUCTOR LASER The invention relates to a semiconductor laser, in particular an indium-containing one
Nitridverbindungshalbleiter-Material basierenden Nitride compound semiconductor material based
Halbleiterlaser. Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2017 109 804.6, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird. Semiconductor lasers. This patent application claims the priority of German Patent Application 10 2017 109 804.6, the disclosure of which is hereby incorporated by reference.
Indium enthaltende Nitridverbindungshalbleiter-Materialien werden insbesondere zur Herstellung von Halbleiterlasern eingesetzt, die beispielsweise Laserstrahlung im blauen oder grünen Spektralbereich emittieren. Indium-containing nitride compound semiconductor materials are used in particular for the production of semiconductor lasers which emit laser radiation in the blue or green spectral range, for example.
Es hat sich herausgestellt, dass beim Wachstum von Indium enthaltenden Nitridverbindungshalbleiter-Materialien Defekt- Cluster entstehen können, die als Absorptionszentren wirken und die Effizienz des Halbleiterlasers herabsetzen können. It has been found that the growth of indium-containing nitride compound semiconductor materials can give rise to defect clusters which act as absorption centers and can degrade the efficiency of the semiconductor laser.
Eine zu lösende Aufgabe besteht somit darin, einen One problem to be solved is therefore one
verbesserten Halbleiterlaser anzugeben, der sich insbesondere durch eine verringerte Defekt-Cluster-Dichte auszeichnet. indicate improved semiconductor laser, which is characterized in particular by a reduced defect cluster density.
Diese Aufgabe wird durch einen Halbleiterlaser gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte This object is achieved by a semiconductor laser according to the independent claim. advantageous
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Embodiments and developments of the invention are
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Halbleiterlaser ein Substrat, eine auf dem Substrat Subject of the dependent claims. In accordance with at least one embodiment, the semiconductor laser comprises a substrate, one on the substrate
angeordnete Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht , und eine Halbleiterschichtenfolge. Das Substrat ist insbesondere ein zum epitaktischen Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge geeignetes Aufwachssubstrat . Weiterhin umfasst der arranged defect mobility reduction layer, and a semiconductor layer sequence. The substrate is in particular a growth substrate suitable for the epitaxial growth of the semiconductor layer sequence. Furthermore, the
Halbleiterlaser eine auf dem Substrat angeordnete Semiconductor laser disposed on the substrate
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht , die vorzugsweise unmittelbar an das Substrat angrenzt. Die Defect mobility reduction layer, which preferably directly adjoins the substrate. The
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht ist bei dem Defect mobility reduction layer is in the
Halbleiterlaser insbesondere dazu vorgesehen, die Ausbreitung von Defekten aus dem Substrat zu vermindern und so einer Bildung von Defekt-Clustern entgegenzuwirken. Auf der Semiconductor laser in particular designed to reduce the propagation of defects from the substrate and thus counteract formation of defect clusters. On the
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht ist eine Defect mobility reduction layer is one
Halbleiterschichtenfolge angeordnet, welche insbesondere die aktive Schicht des Halbleiterlasers umfasst. Semiconductor layer sequence arranged, which in particular comprises the active layer of the semiconductor laser.
Die aktive Schicht ist zur Emission von Laserstrahlung vorgesehen. Die aktive Schicht kann zum Beispiel als pn- Übergang, als Doppelheterostruktur, als Einfach-The active layer is intended to emit laser radiation. The active layer can be used, for example, as a pn junction, as a double heterostructure, as a single layer
Quantentopfstruktur oder Mehrfach-Quantentopfstruktur Quantum well structure or multiple quantum well structure
ausgebildet sein. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst dabei jegliche Struktur, bei der Ladungsträger durch be educated. The term quantum well structure encompasses any structure, in the case of the charge carriers
Einschluss (Confinement ) eine Quantisierung ihrer Confinement a quantization of their
Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Experience energy states. In particular, the
Bezeichnung Quantentopfstruktur keine Angabe über die Name Quantum well structure no information about the
Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen. Dimensionality of quantization. It thus includes quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
Die aktive Schicht umfasst vorzugsweise mindestens ein Indium enthaltendes Nitridverbindungshalbleitermaterial . Die aktive Schicht oder zumindest eine Teilschicht davon umfasst
beispielsweise InxAlyGa]_-x-yN mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und xThe active layer preferably comprises at least one indium-containing nitride compound semiconductor material. The active layer or at least a sub-layer thereof For example, in x AlyGa ] _- x -yN with 0 <x <1, 0 <y <1 and x
+ y < 1. bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die aktive Schicht eine Mehrfach-Quantentopfstruktur mit abwechselnden Quantentopfschichten aus Inx]_Ga]__x]_N mit 0 < xl < 1 und + y <1. In a preferred embodiment, the active layer is a multiple quantum well structure with alternating quantum well layers of In x] _Ga ] __ x] _N where 0 <xl <1 and
Barriereschichten aus Inx2Ga]_-x2N mit 0 < x2 < 1 und x2 < xl . Barrier layers of In x 2Ga ] _- x 2N with 0 <x2 <1 and x2 <xl.
Bei dem Halbleiterlaser weist die Defektbeweglichkeits- Reduzierungsschicht vorteilhaft mit Silizium dotiertes In the semiconductor laser, the defect mobility reducing layer is advantageously doped with silicon
InxAlyGai-x-yN mit 0 < x < 0,03 und 0 < y < 0,03 auf oder besteht daraus. Die Dotierstoffkonzentration in der In x Al y Gai x - y N with 0 <x <0.03 and 0 <y <0.03 on or consists of it. The dopant concentration in the
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht beträgt bevorzugt mindestens 1 * 1019 cm-3. Weiterhin weist die Defect mobility reduction layer is preferably at least 1 × 10 19 cm -3 . Furthermore, the
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht eine Dicke von mindestens 100 nm auf. Bevorzugt weist die Defect mobility reduction layer has a thickness of at least 100 nm. Preferably, the
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht mit Silizium Defect mobility reduction layer with silicon
dotiertes InxAlyGai-x_yN mit 0 < x < 0,01 und 0 < y < 0,01 auf oder besteht daraus. Besonders bevorzugt weist die doped In x Al y Gai x _ y N with 0 <x <0.01 and 0 <y <0.01 or consists thereof. Particularly preferably, the
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht mit Silizium Defect mobility reduction layer with silicon
dotiertes GaN (entsprechend x = 0, y = 0) auf oder besteht daraus. doped GaN (corresponding to x = 0, y = 0) or consists thereof.
Die Erfinder haben insbesondere erkannt, dass es beim The inventors have recognized in particular that it is at
Wachstum von Indium-haltigen III-N-Verbindungshalbleitern (z.B. InGaN) zur Ausbildung von V-förmigen Defekten (V-Pits) an Versetzungen kommen kann, die aus dem Substrat (bei Growth of indium-containing III-N compound semiconductors (e.g., InGaN) to form V-shaped defects (V-pits) can occur at dislocations originating from the substrate (at
Homoepitaxie) oder aus Pufferschichten (bei Heteroepitaxie) stammen. Die Versetzungsdichte des Substrates kann bei Homoepitaxy) or from buffer layers (in heteroepitaxy). The dislocation density of the substrate may be at
Verwendung eines GaN-Substrats beispielsweise etwa Use of a GaN substrate, for example, about
5 * 104 cm-2 bis 5 * 106 cm-2 betragen. In den V-förmigen 5 * 10 4 cm -2 to 5 * 10 6 cm -2 . In the V-shaped
Defekten wächst das Indium enthaltende Defects grows containing the indium
Nitridverbindungshalbleitermaterial in von der c-Achse verschiedenen Kristallorientierungen und es bildet sich ein Bereich mit unterschiedlicher Dicke und Indium-Gehalt im
Vergleich zu Bereichen in c-Richtung aus. Die Nitridverbindungshalbleitermaterial in crystal orientations different from the c-axis and it forms an area with different thickness and indium content in Compared to areas in c-direction. The
Quanteneffizienz ist im Umkreis von solchen Versetzungen oder Defekten deutlich reduziert. Die Defekte sind beispielsweise sichtbar in einem Photolumineszenz-Mikroskop oder Quantum efficiency is significantly reduced in the vicinity of such dislocations or defects. The defects are visible, for example, in a photoluminescence microscope or
Kathodolumineszenz-Mikroskop und weisen typischerweise einen Durchmesser von unter 1 ym auf. Cathodoluminescence microscope and typically have a diameter of less than 1 ym.
Unter typischen Wachstumsbedingungen von InAlGaN können aus dem Substrat stammende Versetzungen gleiten und es kann zur Clusterbildung von Defekten kommen, die sich in großflächigen Bereichen bemerkbar machen, in denen die Quanteneffizienz deutlich geringer ist. Diese Defekt-Cluster sind ebenfalls in einem Photolumineszenz-Mikroskop oder Kathodolumineszenz- Mikroskop sichtbar und weisen einen Durchmesser von mehr als 1 ym, typischerweise 20 ym bis 40 ym, auf. Es hat sich herausgestellt, dass die Ausbildung von Defekt-Clustern insbesondere von der integralen Menge Indium in den Under typical growth conditions of InAlGaN, dislocations originating from the substrate can slip and cluster defects can form, which are noticeable in large areas where the quantum efficiency is significantly lower. These defect clusters are also visible in a photoluminescence microscope or cathodoluminescence microscope and have a diameter of more than 1 μm, typically 20 μm to 40 μm. It has been found that the formation of defect clusters in particular of the integral amount of indium in the
abgeschiedenen Schichten, von der Wachstumstemperatur der darüberliegenden Schichten und von der Defektdichte und des Substrats oder der Pufferschichten abhängt. Die Defekt- Cluster können die Effizienz des Halbleiterlasers reduzieren und als Absorptionszentren wirken. Dadurch kann die Deposited layers, depends on the growth temperature of the overlying layers and the defect density and the substrate or the buffer layers. The defect clusters can reduce the efficiency of the semiconductor laser and act as absorption centers. This allows the
Performance des Halbleiterlasers verschlechtert werden. Die hierin beschriebene Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht zielt deshalb darauf ab, der Ausbildung von Defekt-Clustern entgegenzuwirken . Performance of the semiconductor laser are degraded. The defect mobility reduction layer described herein therefore aims to counteract the formation of defect clusters.
Der hier beschriebene Halbleiterlaser macht sich insbesondere die Erkenntnis zu Nutze, dass die Beweglichkeit von The semiconductor laser described here makes particular use of the fact that the mobility of
Versetzungen durch die zwischen dem Substrat und der Displacements by the between the substrate and the
funktionellen Halbleiterschichtenfolge eingefügte inserted functional semiconductor layer sequence
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht mit einer hohen Dotierstoffkonzentration von mindestens 1 * 1019 cm-3 und
einer großen Dicke von mindestens 100 nm verringert werden kann. Insbesondere wird durch die Defektbeweglichkeits- Reduzierungsschicht die Ausbreitung von Versetzungen aus dem Substrat in die Halbleiterschichtenfolge hinein vermindert. Somit ist es mit der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht möglich, die Anzahl der Defekt-Cluster im Vergleich zu einem Halbleiterlaser mit ansonsten gleichem Schichtaufbau und gleichen Wachstumsbedingungen, insbesondere gleicher Agility defect reduction layer having a high dopant concentration of at least 1 * 10 19 cm -3, and a large thickness of at least 100 nm can be reduced. In particular, the propagation of dislocations from the substrate into the semiconductor layer sequence is reduced by the defect mobility reduction layer. Thus, with the defect mobility reducing layer, it is possible to reduce the number of defect clusters as compared with a semiconductor laser of otherwise the same layer structure and growth conditions, particularly the same
Wachstumszeit und Wachstumstemperatur, signifikant zu Growth time and growth temperature, significantly too
verringern. reduce.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die In an advantageous embodiment, the
Dotierststoffkonzentration der Defektbeweglichkeits- Reduzierungssschicht zwischen 1 * 1019 cm-3 und 3 * 1019 cm-3, bevorzugt zwischen 1 * 1019 cm-3 und 2 * 1019 cm-3. Ein hoheDotierststoffkonzentration the Defektbeweglichkeits- Reduzierungssschicht between 1 * 10 19 cm -3 and 3 * 10 19 cm -3 , preferably between 1 * 10 19 cm -3 and 2 * 10 19 cm -3 . A high
Dotierstoffkonzentration von mindestens 1 * 1019 cm-3 ist wie bereits erwähnt vorteilhaft, um die Defektbeweglichkeit zu minimieren. Andererseits sollte die Dotierstoffkonzentration nicht zu hoch sein, weil sich ansonsten die Morphologie der Defektbeweglichkeits-Reduzierungssschicht nachteilig Dopant concentration of at least 1 × 10 19 cm -3 is advantageous, as already mentioned, in order to minimize the defect mobility. On the other hand, the dopant concentration should not be too high, otherwise the morphology of the defect mobility reduction layer will be detrimental
verändern kann. In dieser Hinsicht ist es vorteilhaft, wenn die Dotierstoffkonzentration nicht mehr als 3 * 1019 cm-3 und bevorzugt nicht mehr als 2 * 1019 cm-3 beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Dotierstoffkonzentration der can change. In this regard, it is advantageous if the dopant concentration is not more than 3 * 10 19 cm -3, and preferably not more than 2 * 10 19 cm -3 . The dopant concentration is particularly preferably
Defektbeweglichkeits-Reduzierungssschicht zwischen Deficiency mobility reduction layer between
1,1 * 1019 cm"3 und 1,5 * 1019 cm"3. 1.1 * 10 19 cm "3 and 1.5 * 10 19 cm " 3 .
Die defektmindernde Wirkung der Defektbeweglichkeits- Reduzierungsschicht lässt sich durch eine Vergrößerung der Dicke noch weiter verbessern. Bei einer vorteilhaften The defect-reducing effect of the defect mobility reducing layer can be further improved by increasing the thickness. In an advantageous
Ausgestaltung ist die Defektbeweglichkeits-Design is the defect mobility
Reduzierungsschicht mindestens 500 nm dick. Bevorzugt ist die
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht mindestens 1000 nm oder besonders bevorzugt sogar mindestens 1500 nm dick. Reduction layer at least 500 nm thick. Preferably, the Defect mobility reduction layer at least 1000 nm or more preferably even at least 1500 nm thick.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Defektbeweglichkeits- Reduzierungsschicht einen möglichst großen Abstand von der aktiven Schicht des Halbleiterlasers hat. Der Abstand Furthermore, it is advantageous if the defect mobility reduction layer has as large a distance as possible from the active layer of the semiconductor laser. The distance
zwischen der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht und der aktiven Schicht beträgt bevorzugt mindestens 1000 nm, besonders bevorzugt mindestens 1500 nm. In diesem Fall sind Absorptionseffekte durch freie Ladungsträger aufgrund der hohen Dotierstoffkonzentration in der Defektbeweglichkeits- Reduzierungsschicht vorteilhaft sehr gering. Weiterhin werden typische Laserparameter wie die Steilheit der Laserkennlinie bei einem derart großen Abstand von der aktiven Schicht durch die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht nicht negativ beeinflusst . between the defect mobility reducing layer and the active layer is preferably at least 1000 nm, particularly preferably at least 1500 nm. In this case, absorption effects due to free charge carriers are advantageously very low due to the high dopant concentration in the defect mobility reducing layer. Furthermore, typical laser parameters such as the steepness of the laser characteristic at such a large distance from the active layer are not adversely affected by the defect mobility reducing layer.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der According to an advantageous embodiment, the
Halbleiterlaser ein GaN-Substrat auf. Ein GaN-Substrat zeichnet sich insbesondere durch eine besonders geringe Semiconductor laser on a GaN substrate. A GaN substrate is characterized in particular by a particularly low
Versetzungsdichte aus. Durch eine verringerte Dislocation density off. By a reduced
Versetzungsdichte des Substrats entstehen beim Wachstum der Halbleiterschichtenfolge weniger Defekt-Cluster . Bei der Verwendung eines GaN-Substrats lassen sich besonders geringe Defekt-Cluster-Dichten erzielen. Dislocation density of the substrate arise in the growth of the semiconductor layer sequence less defect clusters. When using a GaN substrate, particularly low defect cluster densities can be achieved.
Das Substrat ist vorzugsweise ein n-dotiertes Substrat, insbesondere ein n-dotiertes GaN-Substrat. Insbesondere ist das Substrat vorzugsweise elektrisch leitfähig. Dies hat den Vorteil, dass in dem Substrat eine Stromaufweitung erfolgen kann. Ein elektrischer Kontakt des Halbleiterlasers kann beispielsweise an einer Rückseite des Substrats angeordnet sein. Bei einem ausreichend dicken Substrat, das elektrisch
leitend ist, kann auf eine StromaufWeitungsschicht in der Halbleiterschichtenfolge vorteilhaft verzichtet werden und so die Absorption in der Halbleiterschichtenfolge vermindert werden. Das Substrat kann beispielsweise mindestens 100 ym dick sein. Bevorzugt beträgt die Dicke des Substrats zwischen 100 ym und 150 ym. Unter der Dicke des Substrats ist hier die Dicke des Substrats im fertigen Halbleiterlaser zu verstehen. Das Substrat kann bei der epitaktischen Abscheidung der The substrate is preferably an n-doped substrate, in particular an n-doped GaN substrate. In particular, the substrate is preferably electrically conductive. This has the advantage that a flow expansion can take place in the substrate. An electrical contact of the semiconductor laser can be arranged, for example, on a rear side of the substrate. With a sufficiently thick substrate that is electrically is conductive, can be advantageously dispensed with a StromaufWeitungsschicht in the semiconductor layer sequence and so the absorption in the semiconductor layer sequence can be reduced. The substrate may, for example, be at least 100 μm thick. Preferably, the thickness of the substrate is between 100 ym and 150 ym. The thickness of the substrate is to be understood here as meaning the thickness of the substrate in the finished semiconductor laser. The substrate may be used in the epitaxial deposition of
Halbleiterschichten eine größere Dicke, beispielsweise etwa 400 ym, aufweisen und nachträglich gedünnt werden. Semiconductor layers have a greater thickness, for example about 400 ym, and are subsequently thinned.
Der Halbleiterlaser zeichnet sich vorteilhaft durch eine besonders geringe Defekt-Cluster-Dichte aus, die insbesondere mittels der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht erzielt wird. Defekt-Cluster können insbesondere mittels eines The semiconductor laser is advantageously characterized by a particularly low defect cluster density, which is achieved in particular by means of the defect mobility reduction layer. Defect clusters can in particular by means of a
Photolumineszenz-Mikroskops detektiert werden. Defekt-Cluster zeigen sich im Photolumineszenz-Mikroskop als dunkle Flecken und weisen einen Durchmesser von mehr als 1 ym, Photoluminescence microscope can be detected. Defect clusters show up in the photoluminescence microscope as dark spots and have a diameter of more than 1 ym,
typischerweise im Bereich von 20 ym bis 40 ym, auf. typically in the range of 20 ym to 40 ym, on.
Die Defekt-Cluster-Dichte des Halbleiterlasers beträgt vorzugsweise weniger als 200 cm-2, besonders bevorzugt weniger als 100 cm-2. Es kann insbesondere eine Defekt- Cluster-Dichte im Bereich von 30 cm-2 bis 200 cm-2 erzielt werden. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Halbleiterlaser, der nicht die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften aufweist, kann die Defekt-Cluster-Dichte um etwa einen Faktor 30 verringert werden. Bei einem herkömmlichen Halbleiterlaser kann die Defekt-Cluster-Dichte beispielsweise zwischen 1000 cm-2 und 5000 cm-2 betragen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Halbleiterschichtenfolge eine n-seitige Mantelschicht, eine n-seitige Wellenleiterschicht, die aktive Schicht, eine p- seitige Wellenleiterschicht und eine p-seitige Mantelschicht auf. Die Mantelschichten weisen insbesondere ein The defect cluster density of the semiconductor laser is preferably less than 200 cm -2 , more preferably less than 100 cm -2 . In particular, a defect cluster density in the range of 30 cm -2 to 200 cm -2 can be achieved. Compared to a conventional semiconductor laser which does not have the defect mobility reducing layer having the characteristics described above, the defect cluster density can be reduced by a factor of about 30. For example, in a conventional semiconductor laser, the defect cluster density may be between 1000 cm 2 and 5000 cm -2 . According to an advantageous embodiment, the semiconductor layer sequence has an n-side cladding layer, an n-side waveguide layer, the active layer, a p-side waveguide layer and a p-side cladding layer. The cladding layers have in particular
Halbleitermaterial auf, das eine größere elektronische Semiconductor material that has a larger electronic
Bandlücke und einen geringeren Brechungsindex als die Band gap and a lower refractive index than the
Wellenleiterschichten aufweist. Die Mantelschichten können beispielsweise AlGaN und die Wellenleiterschichten InGaN aufweisen. Die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht des Halbleiterlasers ist vorteilhaft zwischen dem Substrat und der n-seitigen Mantelschicht angeordnet. Waveguide layers has. The cladding layers may, for example, comprise AlGaN and the waveguide layers InGaN. The defect mobility reducing layer of the semiconductor laser is advantageously arranged between the substrate and the n-side cladding layer.
Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterlasers kann insbesondere auf einem Indium enthaltenden The semiconductor layer sequence of the semiconductor laser can in particular be based on an indium
Nitridverbindungshalbleitermaterial basieren. „Auf einem Indium enthaltenden Nitridverbindungshalbleiter basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Based nitride compound semiconductor material. "Based on an indium-containing nitride compound semiconductor" in the present context means that the
Halbleiterschichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Indium-haltiges III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise InxAlyGai-x-yN umfasst, wobei 0 < x < 1, 0 < y < 1 und x + y < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (In, AI, Ga, N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können. Semiconductor layer sequence or at least one layer thereof comprises an indium-containing III-nitride compound semiconductor material, preferably In x Al y Gai- x - y N, where 0 <x <1, 0 <y <1 and x + y <1 this material does not necessarily have a mathematically exact composition according to the above formula. Rather, it can have one or more dopants and additional constituents. For the sake of simplicity, however, the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (In, Al, Ga, N), even if these may be partially replaced by small amounts of other substances.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von The invention will be described below with reference to
Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
Es zeigen: Embodiments explained in more detail in connection with Figures 1 to 3. Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Halbleiterlaser gemäß einem 1 shows a schematic representation of a cross section through a semiconductor laser according to a
Ausführungsbeispiel , Embodiment,
Figur 2 eine schematische Darstellung der Intensität der optischen Welle bei einem im blauen Spektralbereich emittierenden Halbleiterlaser gemäß einem Ausführungsbeispiel, und FIG. 2 shows a schematic representation of the intensity of the optical wave in the case of a semiconductor laser emitting in the blue spectral range according to an embodiment, and
Figur 3 eine schematische Darstellung der Intensität I der spontanen Elektrolumineszenz-Emission bei einer Stromstärke von 400 mA in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für verschiedene Ausführungsbeispiele des Halbleiterlasers mit der Defektbeweglichkeits- Reduzierungsschicht und Vergleichsbeispiele ohne die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht . Figure 3 is a schematic representation of the intensity I of the spontaneous electroluminescence emission at a current of 400 mA as a function of the wavelength λ for various embodiments of the semiconductor laser with the Defektbeweglichkeits Reduzierungsschicht and Comparative Examples without the Defektbeweglichkeits Reduzierungsschicht.
Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Identical or equivalent elements are shown in the figures with the same reference numerals. The components shown and the size ratios of the components with each other are not to be considered as true to scale.
Der in Figur 1 dargestellte Halbleiterlaser 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel weist eine Halbleiterschichtenfolge 9 auf, die einen n-Typ-Halbleiterbereich 3, einen p-Typ- Halbleiterbereich 5 und eine zwischen dem n-Typ- Halbleiterbereich 3 und dem p-Typ-Halbleiterbereich 5 angeordnete zur Emission von Strahlung geeignete aktive 1 has a semiconductor layer sequence 9 that has an n-type semiconductor region 3, a p-type semiconductor region 5, and an n-type semiconductor region 3 and the p-type semiconductor region 5 arranged for emission of radiation suitable active
Schicht 4 umfasst. Der n-Typ-Halbleiterbereich 3 und der p- Typ-Halbleiterbereich 5 können jeweils aus mehreren
Teilschichten 3A, 3B, 5A, 5B, 5C aufgebaut sein und müssen nicht notwendigerweise ausschließlich aus n-dotierten Layer 4 comprises. The n-type semiconductor region 3 and the p-type semiconductor region 5 may each consist of several Sub-layers 3A, 3B, 5A, 5B, 5C and not necessarily exclusively of n-doped
Schichten oder p-dotierten Schichten bestehen, sondern können beispielsweise auch eine oder mehrere undotierte Schichten aufweisen. Layers or p-doped layers, but may for example also have one or more undoped layers.
Die Halbleiterschichtenfolge 9 weist insbesondere The semiconductor layer sequence 9 has in particular
Nitridverbindungshalbleitermaterialien auf. Der auf Nitride compound semiconductor materials. The on
Nitridverbindungshalbleitermaterialien basierende Nitride compound semiconductor materials based
Halbleiterlaser 10 kann insbesondere zur Emission von Semiconductor laser 10 can in particular for the emission of
Laserstrahlung im blauen oder grünen Spektralbereich Laser radiation in the blue or green spectral range
vorgesehen sein. be provided.
Zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterlasers 10 können beispielsweise eine erste Anschlussschicht 6 auf einem For electrical contacting of the semiconductor laser 10, for example, a first connection layer 6 on a
Teilbereich der Oberseite 8 des Halbleiterlasers 7 und eine zweite Anschlussschicht 7 an einer Rückseite des Substrats 1 vorgesehen sein. Der Halbleiterlaser 10 kann dem Fachmann an sich bekannte Ausgestaltungen eines Halbleiterlasers wie reflektierende Schichten an den Seitenfacetten, und/oder eine Strukturierung als Streifenlaser aufweisen. Solche an sich bekannten Details sind hier zur Vereinfachung nicht Subregion of the top 8 of the semiconductor laser 7 and a second connection layer 7 may be provided on a back side of the substrate 1. The semiconductor laser 10 can be known in the art per se semiconductor laser embodiments such as reflective layers on the side facets, and / or structuring as a stripe laser. Such known details are not here for simplicity
dargestellt . Die zur Emission von Laserstrahlung vorgesehene aktive shown. The intended for the emission of laser radiation active
Schicht 4 des Halbleiterlasers 10 ist vorzugsweise als Layer 4 of the semiconductor laser 10 is preferably as
Einfach- oder Mehrfachquantentopfstruktur ausgebildet, die eine oder mehrere Barriereschichten 4A und eine oder mehrere Quantentopfschichten 4B aufweist. Die elektronische Bandlücke der mindestens einen QuantentopfSchicht 4B ist kleiner als die elektronische Bandlücke der mindestens einen Single or multiple quantum well structure formed having one or more barrier layers 4A and one or more quantum well layers 4B. The electronic band gap of the at least one quantum well layer 4B is smaller than the electronic band gap of the at least one
Barriereschicht 4A. Die Anzahl N der Perioden der Barrier layer 4A. The number N of periods of
Quantentopfstruktur beträgt beispielsweise zwischen
einschließlich 1 und einschließlich 5, bevorzugt 1 oder 2. Besonders bevorzugt weist der Halbleiterlaser eine Einfach- Quantentopfstruktur (Single Quantum Well) auf. Die aktive Schicht 4 des Halbleiterlasers 10 basiert For example, quantum well structure is between including 1 and inclusive 5, preferably 1 or 2. Particularly preferably, the semiconductor laser has a single quantum well structure (single quantum well). The active layer 4 of the semiconductor laser 10 is based
vorteilhaft auf einem Indium enthaltenden advantageously on an indium-containing
Nitridverbindungshalbleitermaterial . Die aktive Schicht 4 kann insbesondere abwechselnde Quantentopfschichten 4B aus InxiGai-xiN mit 0 < xl -S 1 und Barriereschichten 4A aus Nitride compound semiconductor material. The active layer 4 may in particular comprise alternating quantum well layers 4B made of In x iGai- x iN with 0 <xl -S 1 and barrier layers 4A
InX2Gai-X2 mit 0 ^ x2 < 1 und x2 < xl aufweisen. Aufgrund des geringeren Indiumgehalts x2 weisen die Barriereschichten 4A eine größere elektronische Bandlücke als die In X 2Gai- X 2 with 0 ^ x2 <1 and x2 <xl have. Due to the lower indium content x2, the barrier layers 4A have a larger electronic band gap than the
Quantentopfschichten 4B auf. Die aktive Schicht 4 des Halbleiterlasers ist vorzugsweise zwischen einer n-seitigen Wellenleiterschicht 3A und einer p- seitigen Wellenleiterschicht 5A angeordnet. Die Quantum well layers 4B on. The active layer 4 of the semiconductor laser is preferably arranged between an n-side waveguide layer 3A and a p-side waveguide layer 5A. The
Wellenleiterschichten 3A, 5A können insbesondere InGaN umfassen. Der von den Wellenleiterschichten 3A, 5A gebildete Wellenleiter ist beispielsweise von einer n-seitigen Waveguide layers 3A, 5A may in particular comprise InGaN. The waveguide formed by the waveguide layers 3A, 5A is, for example, of an n-side
Mantelschicht 3B und einer p-seitigen Mantelschicht 5B umgeben. Die Mantelschichten 3B, 5B weisen vorzugsweise AlGaN auf. Die Wellenleiterschichten 3A, 5A und/oder die Sheath layer 3B and a p-side cladding layer 5B surrounded. The cladding layers 3B, 5B preferably have AlGaN. The waveguide layers 3A, 5A and / or the
Mantelschichten 3B, 5B können jeweils aus mehreren Sheath layers 3B, 5B may each consist of several
Teilschichten zusammengesetzt sein, die zur Vereinfachung hier nicht dargestellt sind. Zwischen der p-seitigen Sublayers be composed, which are not shown here for simplicity. Between the p-side
Mantelschicht 5B und der ersten Anschlussschicht 6 ist vorzugsweise eine p-Kontaktschicht 5C angeordnet, die Cladding layer 5B and the first terminal layer 6 is preferably arranged a p-contact layer 5C, the
beispielsweise GaN aufweisen kann. For example, GaN may have.
Die Halbleiterschichtenfolge 3, 4, 5 ist auf ein Substrat 1 aufgebracht, wobei zwischen dem Substrat 1 und der The semiconductor layer sequence 3, 4, 5 is applied to a substrate 1, wherein between the substrate 1 and the
Halbleiterschichtenfolge 3, 4, 5 eine Defektbeweglichkeits-
Reduzierungsschicht 2 angeordnet ist. Die Semiconductor layer sequence 3, 4, 5 a defect mobility Reduction layer 2 is arranged. The
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 ist eine mit Silizium dotierte GaN-Schicht. Die Dotierstoffkonzentration von Silizium in der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht beträgt vorteilhaft mindestens 1 * 1019 cm-3. Durch die vergleichsweise hohe Dotierstoffkonzentration in der Defect mobility reduction layer 2 is a silicon doped GaN layer. The dopant concentration of silicon in the defect mobility reducing layer is advantageously at least 1 × 10 19 cm -3 . Due to the comparatively high dopant concentration in the
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 wird die Defect mobility reduction layer 2 becomes the
Ausbreitung von Defekten, die vom Substrat 1 ausgehen, vorteilhaft vermindert. Dieser Effekt ist umso stärker, je größer die Dicke D der Defektbeweglichkeits- Reduzierungsschicht 2 ist. Die Dicke D der Propagation of defects emanating from the substrate 1, advantageously reduced. This effect is stronger the greater the thickness D of the defect mobility reducing layer 2. The thickness D of
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 sollte mindestens 100 nm betragen, wobei größere Schichtdicken aber Defect mobility reduction layer 2 should be at least 100 nm, but with larger layer thicknesses
vorteilhafter sind. Vorteilhaft beträgt die Dicke D der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 mindestens 500 nm und bevorzugt mindestens 1000 nm. Eine besonders gute are more advantageous. Advantageously, the thickness D of the defect mobility reduction layer 2 is at least 500 nm and preferably at least 1000 nm. A particularly good
Reduzierung der Defektdichte lässt sich erzielen, wenn die Dicke D der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 mindestens 1500 nm beträgt. Reduction of the defect density can be achieved when the thickness D of the defect mobility reducing layer 2 is at least 1500 nm.
Das Substrat 1 ist insbesondere ein zum epitaktischen The substrate 1 is in particular for epitaxial
Aufwachsen von Nitridverbindungshalbleitermaterialien Growing of nitride compound semiconductor materials
geeignetes Aufwachssubstrat . Besonders bevorzugt ist das Substrat 1 ein n-dotiertes GaN-Substrat . Ein GaN-Substrat zeichnet sich vorteilhaft durch eine insbesondere im suitable growth substrate. Particularly preferably, the substrate 1 is an n-doped GaN substrate. A GaN substrate is advantageously characterized by a particular in
Vergleich zu Saphirsubstraten sehr geringe Defektdichte aus. Die Defektdichte kann beispielsweise zwischen 5 * 104 cm-2 und 5 * 106 cm-2 betragen. Durch die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 Very low defect density compared to sapphire substrates. The defect density may be, for example, between 5 * 10 4 cm -2 and 5 * 10 6 cm -2 . By the defect mobility reducing layer 2
vermindert sich insbesondere die Ausbildung von Defekt- Clustern. Unter "Defekt-Clustern" sind hier Gruppen von
Defekten zu verstehen, die eine lateraler Ausdehnung von mehr als 1 ym, insbesondere im Bereich von 20 ym bis 40 ym, aufweisen. Solche Defekt-Cluster zeigen sich beispielsweise bei einer Untersuchung der Halbleiterschichtenfolge 9 mittels Photolumineszenz-Mikroskopie als dunkle Flecken. Durch die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 lässt sich In particular, the formation of defect clusters decreases. "Defective clusters" here are groups of To understand defects having a lateral extent of more than 1 ym, in particular in the range of 20 ym to 40 ym. Such defect clusters show up, for example, in a study of the semiconductor layer sequence 9 by means of photoluminescence microscopy as dark spots. By the defect mobility reducing layer 2 can be
insbesondere erreichen, dass die Defekt-Cluster-Dichte weniger als 200 cm-2, bevorzugt weniger als 100 cm-2, beträgt. Zur Vermeidung von Absorptionsverlusten in der hoch dotierten Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 weist die aktive Schicht 4 vorzugsweise einen großen Abstand d von der in particular, that the defect cluster density is less than 200 cm -2 , preferably less than 100 cm -2 . To avoid absorption losses in the highly doped defect mobility reduction layer 2, the active layer 4 preferably has a large distance d from the
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 auf. Der Abstand d beträgt vorzugsweise mindestens 1000 nm und besonders Defect mobility reduction layer 2 on. The distance d is preferably at least 1000 nm and especially
bevorzugt mindestens 1500 nm. preferably at least 1500 nm.
Figur 2 zeigt schematisch den Verlauf der optischen Welle bei einem im blauen Spektralbereich emittierenden Halbleiterlaser gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist die Intensität der optischen Welle in Abhängigkeit von einer von der FIG. 2 schematically shows the course of the optical wave in the case of a semiconductor laser emitting in the blue spectral region according to an exemplary embodiment. Shown is the intensity of the optical wave as a function of one of
Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge ausgehenden Surface of the semiconductor layer sequence outgoing
Ortskoordinate z. Ein Abstand d zwischen der aktiven Schicht und der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht 2 beträgt vorzugsweise mehr als 1,5 ym. In diesem Fall weist die optische Welle im Bereich der Defektbeweglichkeits-Location coordinate z. A distance d between the active layer and the defect mobility reducing layer 2 is preferably more than 1.5 μm. In this case, the optical wave in the region of the defect mobility
Reduzierungsschicht 2 vorteilhaft nur eine derart geringe Intensität auf, dass Absorptionsverluste vernachlässigbar gering sind. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Intensität I der spontanen Elektrolumineszenz-Emission bei einer Reduction layer 2 advantageously only such a low intensity that absorption losses are negligible. FIG. 3 shows a schematic representation of the intensity I of the spontaneous electroluminescence emission in a
Stromstärke von 400 mA in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für verschiedene Ausführungsbeispiele des Halbleiterlasers
mit der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (schwarze Punkte) und Vergleichsbeispiele ohne die Amperage of 400 mA as a function of the wavelength λ for various embodiments of the semiconductor laser with the defect mobility reducing layer (black dots) and comparative examples without the
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (weiße Punkte) . Es zeigt sich, dass die Ausführungsbeispiele mit der Deficiency mobility reduction layer (white dots). It turns out that the embodiments with the
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (Interpolationslinie 12) im Mittel eine höhere spontane Emission aufweisen als die Beispiele ohne die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (Interpolationslinie 13). Die gemessene spontane Emission ist ein Maß für die Quanteneffizienz der Halbleiterlaser. Es zeigt sich, dass die mittels der Defektbeweglichkeits-Defect mobility reduction layer (interpolation line 12) on average have higher spontaneous emission than the examples without the defect mobility reduction layer (interpolation line 13). The measured spontaneous emission is a measure of the quantum efficiency of the semiconductor laser. It turns out that the means of defect mobility
Reduzierungsschicht erzielte geringere Dichte von Defekt- Clustern zu einer erhöhten Quanteneffizienz führen kann. Der Effekt ist umso ausgeprägter, je größer die Reduction layer achieved lower density of defect clusters can lead to increased quantum efficiency. The bigger the effect, the more pronounced the effect
Emissionswellenlänge ist. Die Defektbeweglichkeits- Reduzierungsschicht ist deshalb besonders vorteilhaft bei einem Halbleiterlaser, der eine für einen Emission wavelength is. The defect mobility reducing layer is therefore particularly advantageous in a semiconductor laser having one for a
Nitridverbindungshalbleiter-Laser vergleichsweise große Nitride compound semiconductor laser comparatively large
Emissionswellenlänge aufweist. Da bei Emission wavelength has. There at
Nitridverbindungshalbleitern die Emissionswellenlänge mit zunehmenden Indiumgehalt in der aktiven Schicht zunimmt, ist die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht besonders vorteilhaft bei aktiven Schichten mit vergleichsweise hohem Indiumgehalt einsetzbar. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die As nitride compound semiconductors increase the emission wavelength with increasing indium content in the active layer, the defect mobility reduction layer is particularly advantageously applicable to active layers having a comparatively high indium content. The invention is not limited by the description with reference to the embodiments. Rather, the includes
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Invention every new feature as well as every combination of
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Features, which includes in particular any combination of features in the claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly in the
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste Claims or embodiments is given. Reference sign list
1 Substrat 1 substrate
2 Defektbeweglichkeits-ReduzierungsSchicht 2 defect mobility reduction layer
3 n-Typ Halbleiterbereich 3 n-type semiconductor region
3A n-seitige Mantelschicht 3A n-side cladding layer
3B n-seitige Wellenleiterschicht 3B n-side waveguide layer
4 aktive Schicht 4 active layer
4A BarriereSchicht 4A barrier layer
4B QuantentopfSchicht 4B quantum well layer
5 p-Typ-Halbleiterbereich 5 p-type semiconductor region
5A p-seitige Mantelschicht 5A p-side cladding layer
5B p-seitige Wellenleiterschicht 5B p-side waveguide layer
5C p-KontaktSchicht 5C p-contact layer
6 erste Kontaktschicht 6 first contact layer
7 zweite Kontaktschicht 7 second contact layer
8 Oberfläche 8 surface
9 Halbleiterschichtenfolge 9 semiconductor layer sequence
10 Halbleiterlaser 10 semiconductor lasers
11 optische Welle 11 optical wave
12 Interpolationslinie 12 interpolation line
13 Interpolationslinie
13 interpolation line
Claims
1. Halbleiterlaser (10), umfassend A semiconductor laser (10) comprising
- ein Substrat (1), a substrate (1),
- eine auf dem Substrat (1) angeordnete - One on the substrate (1) arranged
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2), und Defect Mobility Reduction Layer (2), and
- eine auf der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) angeordnete Halbleiterschichtenfolge (9), welche eine aktive Schicht (4) umfasst, wobei die aktive a semiconductor layer sequence (9) arranged on the defect mobility reduction layer (2) and comprising an active layer (4), wherein the active layer (4) comprises an active layer (4)
Schicht (4) ein Indium enthaltendes Layer (4) contains an indium
Nitridverbindungshalbleitermaterial enthält, Contains nitride compound semiconductor material,
wobei die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) mit Silizium dotiertes InxAlyGai-x-yN mit 0 ^ x < 0,03 undwherein the defect Agility reduction layer (2) doped with silicon, In x Al y Ga x - y N with 0 ≤ x <0.03 and
0 < y < 0,03 umfasst, eine Dotierstoffkonzentration in der Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) 0 <y <0.03, a dopant concentration in the defect mobility reducing layer (2)
zwischen 1 * 1019 cm-3 und 3 * 1019 cm-3 beträgt, und die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) eine Dicke von mindestens 500 nm aufweist. between 1 × 10 19 cm -3 and 3 × 10 19 cm -3 , and the defect mobility reducing layer (2) has a thickness of at least 500 nm.
2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, 2. A semiconductor laser according to claim 1,
wobei die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) mit Silizium dotiertes GaN aufweist. wherein the defect mobility reducing layer (2) comprises silicon doped GaN.
3. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dotierstoffkonzentration der 3. A semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein the dopant concentration of
Defektbeweglichkeits-Reduzierungssschicht (2) zwischen Defect Mobility Reduction Layer (2) between
1 * 1019 cm"3 und 2 * 1019 cm"3 beträgt. 1 * 10 19 cm "3 and 2 * 10 19 cm " 3 .
4. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dotierstoffkonzentration der 4. The semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein the dopant concentration of
Defektbeweglichkeits-Reduzierungssschicht (2) zwischen 1,1 * 1019 cm"3 und 1,5 * 1019 cm"3 beträgt.
Defect Agility Reduzierungssschicht (2) is between 1.1 * 10 19 cm "3 and 1.5 * 10 19 cm" 3.
5. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) mindestens 1000 nm dick ist. A semiconductor laser according to any one of the preceding claims, wherein the defect mobility reducing layer (2) is at least 1000 nm thick.
6. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) mindestens 1500 nm dick ist. A semiconductor laser according to any one of the preceding claims, wherein the defect mobility reducing layer (2) is at least 1500 nm thick.
7. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand der Defektbeweglichkeits-7. A semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein a distance of the defect mobility
Reduzierungsschicht (2) von der aktiven Schicht (4) mindestens 1000 nm beträgt. Reduction layer (2) of the active layer (4) is at least 1000 nm.
8. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand der Defektbeweglichkeits-8. A semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein a distance of the defect mobility
Reduzierungsschicht (2) von der aktiven Schicht (4) mindestens 1500 nm beträgt. Reduction layer (2) of the active layer (4) is at least 1500 nm.
9. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1) ein GaN-Substrat ist. 9. A semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein the substrate (1) is a GaN substrate.
10. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1) n-dotiert ist. 10. A semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein the substrate (1) is n-doped.
11. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Defekt-Cluster-Dichte der 11. A semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein a defect cluster density of
Halbleiterschichtenfolge (9) weniger als 200 cm-2 beträgt . Semiconductor layer sequence (9) is less than 200 cm -2 .
12. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (9) eine n-seitige Mantelschicht (3B) , eine n-seitige Wellenleiterschicht (3A) , die aktive Schicht (4), eine p-seitige
Wellenleiterschicht (5A) und eine p-seitige Mantelschicht (5B) umfasst, und wobei die 12. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the semiconductor layer sequence comprises an n-side cladding layer, an n-side waveguide layer, the active layer, a p-side Waveguide layer (5A) and a p-side cladding layer (5B), and wherein the
Defektbeweglichkeits-Reduzierungsschicht (2) zwischen dem Substrat (1) und der n-seitigen Mantelschicht (3B) angeordnet ist. Defect mobility reduction layer (2) between the substrate (1) and the n-side cladding layer (3B) is arranged.
13. Halbleiterlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (9) auf einem Indium enthaltenden Nitridverbindungshalbleitermaterial 13. A semiconductor laser according to one of the preceding claims, wherein the semiconductor layer sequence (9) on an indium-containing nitride compound semiconductor material
basiert .
based.
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