DE102024106171B4 - Semiconductor laser with semiconductor material system with Fermi level control by doping the active region at spatially indirect transitions - Google Patents
Semiconductor laser with semiconductor material system with Fermi level control by doping the active region at spatially indirect transitions Download PDFInfo
- Publication number
- DE102024106171B4 DE102024106171B4 DE102024106171.5A DE102024106171A DE102024106171B4 DE 102024106171 B4 DE102024106171 B4 DE 102024106171B4 DE 102024106171 A DE102024106171 A DE 102024106171A DE 102024106171 B4 DE102024106171 B4 DE 102024106171B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- region
- active
- semiconductor
- sub
- active sub
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 144
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 74
- 230000007704 transition Effects 0.000 title claims abstract description 33
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 22
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000012876 carrier material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 10
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 9
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 17
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 13
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 13
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 12
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 11
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 11
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 6
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 4
- -1 GaAs:Ge Chemical compound 0.000 description 3
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006774 Si—W Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/3422—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers comprising type-II quantum wells or superlattices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/3407—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers characterised by special barrier layers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
- H01S5/34306—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000nm, e.g. InP based 1300 and 1500nm lasers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Halbleiterlaser mit Halbleitermaterialsystemen aus Elementen für einen Halbleiter, umfassend
einen Substratbereich (12), der ein Substrat aus wenigstens einem Trägermaterial ist, und
wenigstens einen aktiven Bereich (20) mit drei Sub-Bereichen (30);
einem Trennbereich (14), der eine Barriere zwischen Substratbereich (12) und aktivem Bereich (20), ist oder zwischen mehreren Wiederholungen von aktiven Bereichen (20), zwischen Sub-Bereichen (30) eines aktiven Bereichs (20) oder zwischen aktivem Bereich (20) und Grenzfläche zur Luft;
wobei
der erste aktive Sub-Bereich (32) ein Dotierbereich ist und ein Halbleitermaterialsystem aus wenigstens einem Element sowie eine Dotierung aufweist;
der zweite aktive Sub-Bereich (34) ein Dotierbereich ist und eine Dotierung sowie ein weiteres Halbleitermaterialsystem aus wenigstens einem Element aufweist, das sich von dem Halbleitermaterialsystem des ersten aktiven Sub-Bereichs (32) unterscheidet;
der dritte aktive Sub-Bereich (36) ein Dotierbereich ist und das Halbleitermaterialsystem des ersten aktiven Sub-Bereichs (32) aufweist; und
der aktive Bereich (20) des Halbleiterlasers (10) eine dotierte W-Struktur aufweist; und
wenigstens eines der Halbleitermaterialsysteme im zweiten aktiven Sub-Bereich (34) und/oder im ersten aktiven und dritten aktiven Sub-Bereich (32, 36) derart dotiert ist, dass sich die Bandlücke in der W-Struktur in einer vorgegebenen Weise so einstellen lässt, dass die Emissionsenergie des Halbleiterlasers (10) einstellbar ist für Emissionsenergien kleiner als die Übergangsenergien der einzelnen Sub-Bereiche (30); und
wenigstens ein Element des Halbleitermaterialsystems des zweiten aktiven Sub-Bereichs (34) wenigstens einen Elementhalbleiter und eine Dotierung umfasst.
Semiconductor laser with semiconductor material systems of elements for a semiconductor, comprising
a substrate region (12) which is a substrate made of at least one carrier material, and
at least one active region (20) with three sub-regions (30);
a separation region (14) which is a barrier between the substrate region (12) and the active region (20), or between several repetitions of active regions (20), between sub-regions (30) of an active region (20) or between the active region (20) and the interface with the air;
where
the first active sub-region (32) is a doping region and comprises a semiconductor material system comprising at least one element and a doping;
the second active sub-region (34) is a doping region and has a doping and a further semiconductor material system comprising at least one element which differs from the semiconductor material system of the first active sub-region (32);
the third active sub-region (36) is a doping region and comprises the semiconductor material system of the first active sub-region (32); and
the active region (20) of the semiconductor laser (10) has a doped W structure; and
at least one of the semiconductor material systems in the second active sub-region (34) and/or in the first active and third active sub-region (32, 36) is doped such that the band gap in the W structure can be adjusted in a predetermined manner such that the emission energy of the semiconductor laser (10) can be adjusted for emission energies smaller than the transition energies of the individual sub-regions (30); and
at least one element of the semiconductor material system of the second active sub-region (34) comprises at least one element semiconductor and a doping.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser mit Halbleitermaterialsystem aus Elementen für einen Halbleiter umfassend einen Substratbereich, einen aktiven Bereich und einen Trennbereich, der eine Barriere zwischen Substratbereich und aktivem Bereich ist.The present invention relates to a semiconductor laser with a semiconductor material system of elements for a semiconductor comprising a substrate region, an active region and a separation region which is a barrier between the substrate region and the active region.
Halbleiterlaser finden in der Industrie und in Endnutzergeräten häufig Anwendung. Sie werden in vielen Bereichen eingesetzt, von der Datenübertragung über Sensorik bis hin zur Medizintechnik. Obwohl das Anforderungsprofil an die Laser sehr unterschiedlich ist und dementsprechend die Eigenschaften der verwendeten Laser stark variieren, lassen sich drei wesentliche Charakteristika an eine Verbesserung und Optimierung der bekannten Lasertechnologien stellen.Semiconductor lasers are widely used in industry and in end-user devices. They are used in many areas, from data transmission to sensor technology and medical technology. Although the requirements profile for lasers is very different and the properties of the lasers used vary greatly, there are three essential characteristics that can be used to improve and optimize known laser technologies.
Erstens erfordern unterschiedliche Anwendungsgebiete auch verschiedene Emissionsenergien, die mit herkömmlichen Halbleiterlasern derzeit nicht erreicht werden können. Zweitens ist eine höhere Energieeffizienz eine wichtige Eigenschaft, die in Zukunft noch verstärkt zum Vorschein tritt. Der dritte Aspekt betrifft die Nachhaltigkeit der verwendeten Rohstoffe. Dies gilt sowohl in der Art der verwendeten Elemente für den Halbleiterlaser als auch für die eingesetzten und verwendeten Mengen bzw. für die Komplexität des Herstellungsprozesses, bei dem größere Mengen an Ausschuss in Zukunft deutlich zu reduzieren sind.Firstly, different areas of application require different emission energies, which cannot currently be achieved with conventional semiconductor lasers. Secondly, higher energy efficiency is an important property that will become even more important in the future. The third aspect concerns the sustainability of the raw materials used. This applies both to the type of elements used for the semiconductor laser and to the quantities used and used, or to the complexity of the manufacturing process, in which large amounts of waste must be significantly reduced in the future.
Aktuell werden bei Halbleiterlasern hauptsächlich räumlich direkte Übergänge in Halbleitermaterialsystemen als aktives Medium verwendet. Hierbei kann die Emissionsenergie durch die Bandlücke des aktiven Materials, durch Verspannung und durch Quantisierungseffekte wie Dimensionalität des aktiven Materials, Schicht- bzw. Materialdicken sowie Barrierematerial und somit Barriereenergie variiert werden. Maßgeblich für die Übergangsenergie ist damit ein räumlich direkter Übergang zwischen der Valenzbandkante und der Leitungsbandkante. Diese Parameter sind abhängig voneinander. Die Veränderung der Bandlücke hat beispielsweise gleichzeitig im Allgemeinen auch eine Gitterfehlanpassung zur Folge. Für unterschiedliche Spektralbereiche werden unterschiedliche multinäre Materialsysteme als Mehrfachquantenfilme in komplexen Heterostrukturen verwendet. Beispielsweise können als Materialien eingesetzt werden (Ga,In)(N,As,P) für den nahinfraroten Spektralbereich oder (Ga,In) in Kombination mit Stickstoff (N) für blaue und grüne Laserdioden.Currently, semiconductor lasers mainly use spatially direct transitions in semiconductor material systems as the active medium. The emission energy can be varied by the band gap of the active material, by strain and by quantization effects such as the dimensionality of the active material, layer or material thicknesses and barrier material and thus barrier energy. A spatially direct transition between the valence band edge and the conduction band edge is therefore crucial for the transition energy. These parameters are dependent on one another. For example, the change in the band gap generally also results in a lattice mismatch. For different spectral ranges, different multinary material systems are used as multiple quantum films in complex heterostructures. For example, materials that can be used are (Ga,In)(N,As,P) for the near-infrared spectral range or (Ga,In) in combination with nitrogen (N) for blue and green laser diodes.
Weitere Möglichkeiten sind Quantenkaskadenstrukturen, bei denen Kaskaden von typischerweise quantisierten Intersubbandübergängen in komplexen Vielfachquantenstrukturen eingesetzt werden. Hier finden die optischen Übergänge zwischen einzelnen, typischerweise höheren Zuständen innerhalb von quantisierten Schichten statt. Die Bandlückenenergien zischen Valenz- und Leitungsbandkanten sind für Quantenkaskadenstrukturen typischerweise weit von den Energien der optischen Übergänge entfernt, die für die Laseraktivität genutzt werden, und können daher als irrelevant betrachtet werden.Other possibilities are quantum cascade structures, in which cascades of typically quantized intersubband transitions are used in complex multiple quantum structures. Here, the optical transitions between individual, typically higher states take place within quantized layers. The band gap energies between valence and conduction band edges for quantum cascade structures are typically far removed from the energies of the optical transitions used for laser activity and can therefore be considered irrelevant.
Weiterhin werden sogenannte W-Strukturen aus undotierten Typ-II-Heterostrukturen eingesetzt. Solche Laser bieten den Vorteil gegenüber herkömmlichen Typ-I-Lasern und Quantenkaskadenlasern, dass Verluste durch Intersubbandstreuung und Auger-Verluste stark unterdrückt sein können. Hier ist die Energie der optischen Übergänge von Typ II für die Laseraktivität relevant, die durch die Kombination der intrinsischen Materialien bestimmt wird.Furthermore, so-called W structures made of undoped type II heterostructures are used. Such lasers offer the advantage over conventional type I lasers and quantum cascade lasers that losses due to intersubband scattering and Auger losses can be strongly suppressed. Here, the energy of the optical transitions of type II is relevant for the laser activity, which is determined by the combination of the intrinsic materials.
Bisher nutzt man multinäre Heterostrukturen, um verschiedene Emissionsenergien zu erreichen. Zusätzlich nutzt man, neben sich unterscheidenden Materialzusammensetzungen, auch unterschiedliche Materialsysteme. In W-Strukturen wurden die intrinsischen Hetero-Offsets der Materialkombinationen an den Typ-II-Übergängen eingesetzt.So far, multinary heterostructures have been used to achieve different emission energies. In addition to different material compositions, different material systems are also used. In W structures, the intrinsic hetero-offsets of the material combinations were used at the type II transitions.
Die im Stand der Technik häufig verwendeten undotierten Typ-II-Strukturen haben nur stark beschränkte Möglichkeiten, die Zielwellenlängen einzustellen. Dies beruht auf der Beschränkung der benötigten guten strukturellen Qualität und des damit verbundenen epitaktischen Wachstums intrinsischer Schichten. Die Emissionswellenlängen in aktuell verwendeten Halbleiterlasern sind damit für alle Lasertypen wesentlich durch das Material und die Schichtdicke der aktiven Schicht festgelegt. Des Weiteren entstehen Defekte, die die Effizienz reduzieren oder gar keinen effizienten Laserbetrieb erlauben. Diese Effekte werden durch intrinsische Gitterfehlanpassungen in multinären Schichtsystemen an verfügbaren Substratmaterialien, wie beispielsweise Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Saphir, Siliciumcarbid (SiC) oder Silicium (Si) hervorgerufen. Des Weiteren ist das epitaktische Wachstum solcher teilweise quinternären Schichten extrem komplex und aufwändig. Dies hat zur Folge, dass manche Emissionsenergien nur sehr schwer oder gar nicht erreichbar sind. Dementsprechend muss auf ineffiziente Bauteile zurückgegriffen werden.The undoped type II structures frequently used in the state of the art have only very limited options for setting the target wavelengths. This is due to the limitation of the required good structural quality and the associated epitaxial growth of intrinsic layers. The emission wavelengths in currently used semiconductor lasers are therefore essentially determined for all laser types by the material and the layer thickness of the active layer. Furthermore, defects arise that reduce efficiency or do not allow efficient laser operation at all. These effects are caused by intrinsic lattice mismatches in multinary layer systems on available substrate materials, such as gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), sapphire, silicon carbide (SiC) or silicon (Si). Furthermore, the epitaxial growth of such partially quinternary layers is extremely complex and time-consuming. This means that some emission energies are very difficult or even impossible to achieve. Accordingly, inefficient components must be used.
Zusätzlich ist es nötig, um insbesondere niedrige Emissionsenergien erreichen zu können, in der Herstellung auf Substratplattformen mit Nachhaltigkeit zu setzen. Ähnliches gilt für Quantenkaskadenstrukturen. Hier ist die strukturelle Fehlanpassung ebenfalls sehr kritisch, da es in den teilweise vielen hundert benötigten epitaktischen Schichten zu Gitterfehlern kommt, die unweigerlich zum Funktionsversagen von Halbleiterlasern führen.In addition, in order to achieve particularly low emission energies, it is necessary to use sustainable substrate platforms in production. The same applies to quantum cascade structures. Here, the structural mismatch is also very critical, since in the partially The many hundreds of epitaxial layers required lead to lattice defects, which inevitably lead to the functional failure of semiconductor lasers.
Als Stand der Technik können die Offenlegungsschriften
Es stellt sich somit die Aufgabe, einen verbesserten Halbleiterlaser mit Halbleitermaterialsystemen vorzuschlagen.The task is therefore to propose an improved semiconductor laser with semiconductor material systems.
Gelöst wird die vorliegende Aufgabe durch einen Halbleiterlaser mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The present object is achieved by a semiconductor laser having the features of claim 1.
Die Erfindung betrifft somit einen Halbleiterlaser mit Halbleitermaterialsystem aus Elementen für einen Halbleiter. Der Halbleiterlaser umfasst einen Substratbereich, der ein Substrat aus wenigstens einem Trägermaterial ist, und wenigstens einen aktiven Bereich mit drei Sub-Bereichen sowie einen Trennbereich. Der Trennbereich ist eine Barriere zwischen Substratbereich und aktivem Bereich, zwischen mehreren Wiederholungen von aktiven Bereichen, zwischen Sub-Bereichen eines aktiven Bereichs oder zwischen aktivem Bereich und Grenzfläche zur Luft. Die Wiederholungen der aktiven Bereiche führen zu einer Erhöhung der Gewinnamplitude und damit zu größerer Verstärkung. Diese Erhöhung sollte idealerweise linear mit der Anzahl der Wiederholungen sein.The invention thus relates to a semiconductor laser with a semiconductor material system made of elements for a semiconductor. The semiconductor laser comprises a substrate region, which is a substrate made of at least one carrier material, and at least one active region with three sub-regions and a separation region. The separation region is a barrier between the substrate region and the active region, between several repetitions of active regions, between sub-regions of an active region or between the active region and the interface with the air. The repetitions of the active regions lead to an increase in the gain amplitude and thus to greater amplification. This increase should ideally be linear with the number of repetitions.
Der erste aktive Sub-Bereich ist ein Dotierbereich und weist ein Halbleitermaterialsystem aus wenigstens einem Element neben der Dotierung auf. Der zweite aktive Sub-Bereich ist ein Dotierbereich und weist ein Halbleitermaterialsystem aus wenigstens einem Element neben der Dotierung auf, das sich von dem Halbleitermaterialsystem des ersten aktiven Sub-Bereichs unterscheidet. Der dritte aktive Sub-Bereich ist ein Dotierbereich und weist das Halbleitermaterialsystem des ersten aktiven Sub-Bereichs auf. Die Materialsysteme des ersten und dritten aktiven Sub-Bereichs sind somit gleich.The first active sub-region is a doping region and has a semiconductor material system made up of at least one element in addition to the doping. The second active sub-region is a doping region and has a semiconductor material system made up of at least one element in addition to the doping that differs from the semiconductor material system of the first active sub-region. The third active sub-region is a doping region and has the semiconductor material system of the first active sub-region. The material systems of the first and third active sub-regions are thus the same.
Der aktive Bereich des Halbleiterlasers ist eine dotierte W-Struktur. Wenigstens eines der Halbleitermaterialsysteme im zweiten aktiven Sub-Bereich und/oder im ersten und dritten aktiven Sub-Bereich sind derart dotiert, dass sich eine Bandlücke in der W-Struktur in einer vorgegebenen Weise so kontrolliert einstellen lässt, dass die Emissionsenergie des Halbleiterlasers einstellbar ist für Emissionsenergien kleiner als die Übergangsenergie der einzelnen Sub-Bereiche.The active region of the semiconductor laser is a doped W structure. At least one of the semiconductor material systems in the second active sub-region and/or in the first and third active sub-regions is doped in such a way that a band gap in the W structure can be set in a controlled manner in a predetermined manner such that the emission energy of the semiconductor laser can be set for emission energies smaller than the transition energy of the individual sub-regions.
Die Erfindung betrifft somit ein Konzept zum Design von Halbleiterlaserstrukturen sowie einen Halbleiterlaser. Der Erfindung liegt die grundlegende Idee zugrunde, die Emissionsenergie eines räumlich indirekten Übergangs, sogenannter Typ-II-Übergang, zweier oder dreier Halbleitermaterialsysteme mittels Dotierung zu kontrollieren. Dabei sind alle bekannten Dotierkonzepte denkbar. Insbesondere kann eine homogene Dotierung oder auch eine Delta-Dotierung eingesetzt werden. Für die Emissionsenergie eines Typ-II-Übergangs ist neben den Bandlückenenergien der verwendeten Halbleiter der aktiven Schicht vor allem die Banddiskontinuität an der Grenzfläche von Bedeutung. Die Grenzfläche wird dabei auch als Band-Offset bezeichnet. Da die Ladungsträger vom Leitungsband des einen Halbleiters in das Valenzband des Anderen rekombinieren, ist für die Emission des Lasers die Energiedifferenz zwischen dem Leitungsband des einen Halbleiters und dem Valenzband des Anderen entscheidend. Bestimmt wird diese Banddiskontinuität in erster Näherung durch die Austrittsenergien sowie das Fermi-Niveau der Halbleiterheterostruktur. Die Dotierung bestimmt die relative Lage der Valenz- und Leitungsbandkanten aller Halbleiter relativ zum Fermi-Niveau. Das Fermi-Niveau ist für die Halbleiterheterostrukturen ohne Vorspannung konstant.The invention thus relates to a concept for the design of semiconductor laser structures and a semiconductor laser. The invention is based on the basic idea of controlling the emission energy of a spatially indirect transition, so-called type II transition, of two or three semiconductor material systems by means of doping. All known doping concepts are conceivable. In particular, homogeneous doping or delta doping can be used. In addition to the band gap energies of the semiconductors used in the active layer, the band discontinuity at the interface is particularly important for the emission energy of a type II transition. The interface is also referred to as the band offset. Since the charge carriers recombine from the conduction band of one semiconductor into the valence band of the other, the energy difference between the conduction band of one semiconductor and the valence band of the other is crucial for the emission of the laser. This band discontinuity is determined to a first approximation by the exit energies and the Fermi level of the semiconductor heterostructure. The doping determines the relative position of the valence and conduction band edges of all semiconductors relative to the Fermi level. The Fermi level is constant for the semiconductor heterostructures without bias.
Die relative Lage der Valenz- und Leitungsbandkanten der einzelnen Halbleiter im aktiven Bereich wird durch die Kontrolle des Fermi-Niveaus durch Dotierung erreicht. Hierdurch kann die Übergangsenergie der optischen Übergänge kontrolliert werden. Die Dotierung bestimmt somit eine Leitfähigkeit der Element- oder Verbindungshalbleiter. Zudem bestimmt die Dotierung die energetische Lage der Valenz- und Leitungsbandniveaus einzelner Schichten von Element- oder Verbindungshalbleitern. Da das Fermi-Niveau einer Heterostruktur, wie der hier beabsichtigten W-Struktur, jedoch durchgängig ist, wird durch die Dotierung auch die Energie von räumlich indirekten Übergängen an Heterogrenzflächen kontrolliert, die für die Laserübergänge in diesen W-Strukturen verantwortlich ist, und damit durch die Dotierung eingestellt werden kann.The relative position of the valence and conduction band edges of the individual semiconductors in the active region is achieved by controlling the Fermi level through doping. This allows the transition energy of the optical transitions to be controlled. The doping thus determines the conductivity of the element or compound semiconductors. In addition, the doping determines the energetic position of the valence and conduction band levels of individual layers of element or compound semiconductors. However, since the Fermi level of a heterostructure, such as the W structure intended here, is continuous, the doping also controls the energy of spatially indirect transitions at heterointerfaces, which is responsible for the laser transitions in these W structures, and can therefore be adjusted by doping.
Im Rahmen der Erfindung wird unter einem Halbleitermaterialsystem aus Elementen für einen Halbleiter verstanden, dass die Elemente nicht unbedingt selbst Halbleitermaterialien oder -elemente oder halbleitende Elemente sein müssen, sondern auch Metalle, Gase und andere chemische Elemente oder Moleküle umfassen können, die geeignet sind, z. B. in Kombination mit anderen Elementen, Teil eines Halbleitermaterialsystems zu sein oder ein solches aufzubauen bzw. ein Material für einen Halbleiterlaser zu sein.In the context of the invention, a semiconductor material system comprising elements for a semiconductor is understood to mean that the elements do not necessarily have to be semiconductor materials or elements or semiconducting elements themselves, but can also comprise metals, gases and other chemical elements or molecules that are suitable, e.g. in combination with other elements, to be part of a semiconductor material system or to build such a system or to be a material for a semiconductor laser.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der zweite aktive Sub-Bereich eine andere Dotierung auf als der erste aktive Sub-Bereich und der dritte aktive Sub-Bereich. Beispielsweise könnte ein mögliches Materialsystem aus Phosphor und Stickstoff plus Stickstoff und Galliumarsenid gebildet werden (PN+N GaAs). Hier sind verschiedene Dotierungen möglich, wie etwa durch Be, C, Mg, Si, Ca, Ge, Zn, Se, Te. Möglich ist somit auch, dass der zweite aktive Sub-Bereich undotiert ist, der erste und dritte aktive Sub-Bereich dotiert sind oder vice versa.In a preferred embodiment, the second active sub-region has a different doping as the first active sub-region and the third active sub-region. For example, a possible material system could be formed from phosphorus and nitrogen plus nitrogen and gallium arsenide (PN+N GaAs). Various dopings are possible here, such as Be, C, Mg, Si, Ca, Ge, Zn, Se, Te. It is therefore also possible that the second active sub-region is undoped, the first and third active sub-regions are doped or vice versa.
Erfindungsgemäß umfasst wenigstens ein Element des Halbleitermaterialsystems des zweiten aktiven Sub-Bereichs wenigstens einen Elementhalbleiter und eine Dotierung. Besonders bevorzugt ist der Elementhalbleiter aus der vierten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente PSE. Beispielsweise könnte Germanium (Ge) oder auch Silicium (Si) verwendet werden. Ein möglicher Aufbau eines aktiven Bereichs könnte aus den Materialien GaN-Ge-GaN bestehen, wobei der zweite aktive Sub-Bereich Germanium (Ge) aufweist.According to the invention, at least one element of the semiconductor material system of the second active sub-region comprises at least one element semiconductor and a doping. The element semiconductor is particularly preferably from the fourth main group of the periodic table of elements PSE. For example, germanium (Ge) or silicon (Si) could be used. A possible structure of an active region could consist of the materials GaN-Ge-GaN, with the second active sub-region comprising germanium (Ge).
Eine bevorzugte Ausführungsform des Halbleiterlasers zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Element des Halbleitermaterialsystems des ersten aktiven Sub-Bereichs und des dritten aktiven Sub-Bereichs eine Legierung aus Metall umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Legierung aus Metall, das der dritten oder fünften Hauptgruppe des PSE angehört. Ganz besonders bevorzugt weisen dabei der erste aktive Sub-Bereich und der dritte aktive Sub-Bereich unterschiedliche Dotierungen auf. Eine bevorzugte Ausführungsform kann dergestalt sein, dass der erste und dritte aktive Sub-Bereich eine Dotierung von Aluminium, Gallium und Arsenid ((Al,Ga)As) umfasst und der zweite aktive Sub-Bereich beispielsweise die Elemente Gallium (Ga) und Arsen (As-) umfasst. Diese Schichten sind vorzugsweise entsprechend der obigen Ausführungen dotiert. Weitere Kombination könnten beispielsweise sein: GaN/Ge/GaN; GaN/Si/GaN; GaN/SiGe/GaN. Hier werden die Verbindungshalbleiter der ersten und dritten aktiven Subbereiche entsprechend der obigen Ausführungen dotiert; eine Dotierung des zweiten aktiven Subbereichs, der aus Elementen der vierten Hauptgruppe besteht, erfolgt mit Elementen der dritten oder fünften Hauptgruppe.A preferred embodiment of the semiconductor laser is characterized in that at least one element of the semiconductor material system of the first active sub-region and the third active sub-region comprises a metal alloy. In a preferred embodiment, the alloy is made of metal that belongs to the third or fifth main group of the PSE. The first active sub-region and the third active sub-region most preferably have different dopings. A preferred embodiment can be such that the first and third active sub-regions comprise a doping of aluminum, gallium and arsenide ((Al,Ga)As) and the second active sub-region comprises, for example, the elements gallium (Ga) and arsenic (As-). These layers are preferably doped in accordance with the above statements. Other combinations could be, for example: GaN/Ge/GaN; GaN/Si/GaN; GaN/SiGe/GaN. Here, the compound semiconductors of the first and third active sub-regions are doped in accordance with the above statements; The second active subregion, which consists of elements of the fourth main group, is doped with elements of the third or fifth main group.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Halbleiterlasers umfasst das Halbleitermaterialsystem des ersten aktiven Sub-Bereichs und des dritten aktiven Sub-Bereichs Legierungen aus Metall. Besonders bevorzugt sind Metalle der dritten oder fünften Hauptgruppe des PSE. Besonders bevorzugt sind die. Legierungen und/oder Dotierungen unterschiedlich.In a further preferred embodiment of the semiconductor laser, the semiconductor material system of the first active sub-region and the third active sub-region comprises alloys of metal. Metals from the third or fifth main group of the PSE are particularly preferred. The alloys and/or dopings are particularly preferably different.
Gemäß einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des Halbleiterlasers umfasst wenigstens einer der aktiven Sub-Bereiche ein Halbleitermaterialsystem aus wenigstens einem Metall und/oder einem Gas, bevorzugt aus Metall und Gas. Dies gilt unter typischen Wachstumsbedingungen für Druck und Temperatur. Vorzugsweise sind der andere oder die anderen aktiven Sub-Bereiche aus einem Legierungshalbleiter mit mindestens einem Halbleitermaterial gebildet. Typische Beispiele sind etwa eine Zusammensetzung des aktiven Bereichs derart, dass der erste und dritte aktive Sub-Bereich die Elemente Gallium (Ga) und Stickstoff (N) umfassen, während der zweite aktive Sub-Bereich das Element Germanium (Ge) aufweist. Ein anderes Beispiel sieht im zweiten aktiven Sub-Bereich Silizium (Si) vor, während der erste und dritte aktive Sub-Bereich ebenfalls die Elemente Gallium (Ga) und/oder Stickstoff (N) umfasst. Die einzelnen aktiven Subbereiche werden gemäß den obigen Ausführungen dotiert, um durch die Kontrolle des Fermi-Niveaus die Valenz- und Leitungsbandoffsets so einzustellen, dass die gewünschte Übergangsenergie des Laserübergangs in der W-Struktur erreicht wird. Eine weitere Ausführungsform kann darin bestehen, dass der zweite aktive Sub-Bereich die Elemente Silizium (Si) und Germanium (Ge) aufweist. Hier erfolgt vorzugsweise eine Dotierung mittels eines oder mehrerer Elemente der dritten oder fünften Hauptgruppe wie Bor, P oder As.According to a likewise preferred embodiment of the semiconductor laser, at least one of the active sub-regions comprises a semiconductor material system made of at least one metal and/or one gas, preferably of metal and gas. This applies under typical growth conditions for pressure and temperature. Preferably, the other active sub-region(s) are formed from an alloy semiconductor with at least one semiconductor material. Typical examples are a composition of the active region such that the first and third active sub-regions comprise the elements gallium (Ga) and nitrogen (N), while the second active sub-region has the element germanium (Ge). Another example provides silicon (Si) in the second active sub-region, while the first and third active sub-regions also comprise the elements gallium (Ga) and/or nitrogen (N). The individual active sub-regions are doped according to the above statements in order to adjust the valence and conduction band offsets by controlling the Fermi level so that the desired transition energy of the laser transition in the W structure is achieved. A further embodiment can consist in the second active sub-region comprising the elements silicon (Si) and germanium (Ge). Here, doping preferably takes place using one or more elements from the third or fifth main group, such as boron, P or As.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Halbleiterlasers sind der erste aktive Sub-Bereich und der dritte aktive Sub-Bereich jeweils ein Halbleitermaterialsystem, das zwei unterschiedliche Elemente aus Halbleitermaterialien umfasst. Hierbei sind beide Elemente des Halbleitermaterialsystems ebenfalls Halbleitermaterialien, beispielsweise Silicium (Si) und Germanium (Ge). Ein möglicher Aufbau des aktiven Bereichs sieht vor, dass der erste und dritte aktive Sub-Bereich Silizium (Si) und Germanium (Ge) umfassen, während der zweite aktive Sub-Bereich die Elemente Gallium (Ga) und Stickstoff (N) aufweist. Die Dotierungen der einzelnen aktiven Subbereiche erfolgen gemäß den obigen Ausführungen, um die gewünschte Übergangsenergie des Laserübergangs in der W-Struktur zu erreichen.In a preferred embodiment of the semiconductor laser, the first active sub-region and the third active sub-region are each a semiconductor material system that comprises two different elements made of semiconductor materials. Both elements of the semiconductor material system are also semiconductor materials, for example silicon (Si) and germanium (Ge). One possible structure of the active region provides that the first and third active sub-regions comprise silicon (Si) and germanium (Ge), while the second active sub-region has the elements gallium (Ga) and nitrogen (N). The doping of the individual active sub-regions takes place according to the above statements in order to achieve the desired transition energy of the laser transition in the W structure.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Halbleiterlasers ist er derart gestaltet, dass der erste aktive Sub-Bereich und der dritte aktive Sub-Bereich jeweils eine größere Breite aufweisen als der zweite aktive Sub-Bereich. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Breite des ersten aktiven Sub-Bereichs und des dritten aktiven Sub-Bereichs jeweils wenigstens 1,5-mal so groß wie die Breite des zweiten aktiven Sub-Bereichs.In a preferred embodiment of the semiconductor laser, it is designed such that the first active sub-region and the third active sub-region each have a greater width than the second active sub-region. In a preferred embodiment, the width of the first active sub-region and the third active sub-region are each at least 1.5 times as large as the width of the second active sub-region.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Halbleiterlasers umfasst das Halbleitermaterialsystem im zweiten aktiven Sub-Bereich einen indirekten Halbleiter, der dotiert sein kann. Das Halbleitermaterialsystem im ersten und im dritten aktiven Sub-Bereich ist dabei ein direkter Halbleiter, der ebenfalls dotiert sein kann.In a further preferred embodiment of the semiconductor laser, the semiconductor material system in the second active sub-region comprises an indirect semiconductor, which may be doped. The semiconductor The conductor material system in the first and third active sub-region is a direct semiconductor, which can also be doped.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Halbleitermaterialsystem im zweiten aktiven Sub-Bereich ein direkter Halbleiter ist, der dotiert sein kann, während das Halbleitermaterialsystem im ersten und im dritten aktiven Sub-Bereich ein indirekter Halbleiter ist, der ebenfalls dotiert sein kann. Beispielsweise kann der aktive Bereich so gestaltet sein, dass der erste und dritte aktive Sub-Bereich Germanium (Ge) umfasst, während der zweite aktive Sub-Bereich die Elemente Gallium (Ga) und Stickstoff (N) aufweist, wobei vorzugsweise alle Materialien entsprechend den obigen Ausführungen dotiert sind, um die gewünschte Übergangsenergie des Laserübergangs in der W-Struktur zu erreichen.A further preferred embodiment provides that the semiconductor material system in the second active sub-region is a direct semiconductor, which can be doped, while the semiconductor material system in the first and third active sub-regions is an indirect semiconductor, which can also be doped. For example, the active region can be designed such that the first and third active sub-regions comprise germanium (Ge), while the second active sub-region comprises the elements gallium (Ga) and nitrogen (N), wherein preferably all materials are doped in accordance with the above statements in order to achieve the desired transition energy of the laser transition in the W structure.
Die in den Unteransprüchen beschriebenen Dotierungen können derart gewählt sein, dass sie höchstens 10 %, bevorzugt höchstens 7 %, weiter bevorzugt höchstens 5 %, weiter bevorzugt höchstens 3 %, sehr bevorzugt höchstens 2 % ausmachen. Besonders bevorzugt sind Dotierungen von höchstens 1 % oder kleiner 1 % bzw. sehr viel kleiner als 1 %, beispielsweise von kleiner 0,1 % oder kleiner 0,01 %.The dopings described in the subclaims can be selected such that they amount to at most 10%, preferably at most 7%, more preferably at most 5%, more preferably at most 3%, very preferably at most 2%. Dopings of at most 1% or less than 1% or very much less than 1%, for example less than 0.1% or less than 0.01%, are particularly preferred.
Durch eine geeignete Dotierung kann beispielsweise in Germanium (Ge) der Offset gut und robust sowie zuverlässig kontrolliert werden, etwa um den W-Übergang stark zu verändern. So lassen sich p-Typ- oder n-Typ-Halbleiter erzeugen. Beispielsweise könnte GaAs mit Germanium (Ge) dotiert werden, also GaAs:Ge, bevorzugt mit einer Dotierung <1 % oder besser <<1% Ge. Es könnte auch in gleicher Weise im Germanium beispielsweise eine Dotierung mit Arsenid (As), also Ge:As, oder mit Bor (B), also Ge:B, vorgenommen werden, oder auch beispielsweise mit Gallium, also Ge:Ga, oder mit Antimon (Sb), also Ge:Sb. Hier sind die Dotierungen ebenfalls bzw. kleiner 1 % oder sehr viel kleiner 1 % (< 0,1% bis < 0,01 %).By means of suitable doping, the offset in germanium (Ge), for example, can be controlled well, robustly and reliably, for example in order to significantly change the W junction. In this way, p-type or n-type semiconductors can be produced. For example, GaAs could be doped with germanium (Ge), i.e. GaAs:Ge, preferably with a doping of <1% or better <<1% Ge. In the same way, germanium could also be doped with arsenide (As), i.e. Ge:As, or with boron (B), i.e. Ge:B, or also with gallium, i.e. Ge:Ga, or with antimony (Sb), i.e. Ge:Sb. Here the doping is also less than 1% or very much less than 1% (< 0.1% to < 0.01%).
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen beschrieben. Es zeigen:
-
1a bis 1d eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Halbleiters; -
2 eine Prinzipskizze einer Modifikation; und -
3 eine Prinzipskizze eines Oberflächenemitters
-
1a to 1d a schematic diagram of a semiconductor according to the invention; -
2 a schematic diagram of a modification; and -
3 a schematic diagram of a surface emitter
In den
Die Kontrolle der Laserübergänge erfolgt durch die Dotierung der einzelnen Halbleitermaterialien. Diese Dotierung kontrolliert die relative Lage ihrer Valenz- und Leitungsbandkanten relativ zum Fermi-Niveau 11, das durchgängig konstant über die Heterostruktur ist.The laser transitions are controlled by doping the individual semiconductor materials. This doping controls the relative position of their valence and conduction band edges relative to the
Die Halbleiterlaser 10 umfassen einen Substratbereich 12, der aus einem Substrat mit wenigstens einem Trägermaterial gebildet wird, wobei in den hier gezeigten Ausführungen ein Trennbereich 14 insoweit integriert ist, dass ein kombinierter Substratbereich 12 mit Trennbereich 14 dargestellt ist. Dieser Bereich wird im Folgenden in den Figuren als Substratbereich 12 bezeichnet.The
An den Substratbereich 12 schließt sich ein aktiver Bereich 20 an, der mehrere Sub-Bereiche 30 umfasst.The substrate region 12 is followed by an
Gemäß
An den aktiven Bereich 20 schließt sich erneut eine Barriere 40 an, die entweder aus einem Trennbereich 14, einer Kombination aus Trennbereich 14 und Substratbereich 12 oder aus einem Barrierebereich mit mehreren Bereichen gebildet sein kann. Der Barrierebereich kann unter anderem auch einen Trennbereich 14 umfassen. In der hier dargestellten Ausführungsform umfasst die Barriere drei aneinandergrenzende Bereiche, beispielsweise aus GaAs, Ga(As,P) und GaAs. Derartige Barrieren oder ähnliche Barrieren sind im Stand der Technik bekannt.The
An die Barriere kann sich wiederum ein aktiver Bereich anschließen. So können in dem Halbleiterlaser 10 mehrere von einer Barriere 40 getrennte aktive Bereiche 20 aneinandergereiht sein. Hierbei kann zum Abschluss, anstatt einer Barriere ein Substratbereich 12 vorgesehen sein.An active region can in turn be connected to the barrier. In the
Der erste Sub-Bereich 32 und der dritte Sub-Bereich 36 sind, wie in dieser Ausführungsform gezeigt, gleich aufgebaut. Sie umfassen die gleichen Materialien. Alle drei Sub-Bereiche 30 des aktiven Bereichs 20 sind dotiert. Der erste Sub-Bereich 32 und der dritte Sub-Bereich 36 umfassen eine Kombination von Gallium mit einer Legierung mittels Indium (Ga0.95 und In0.05) in Kombination mit Arsenid (As). Dieser Bereich kann undotiert sein, wie in dieser Realisierung ausgeführt (semiisolierend, si), oder dotiert werden, um die Valenz- und Leitungsbänder relativ zum Fermi-Niveau zu verschieben. Der zweite Sub-Bereich 34 ist ebenfalls dotiert und umfasst auch die Elemente Gallium (Ga) und Arsenid (As), wobei Arsenid eine 7%ige Legierung mittels Antimon (Sb) aufweist. Die Antimon-Dotierung umfasst im hier gezeigten Beispiel 7 %, sodass das Materialsystem des zweiten Sub-Bereichs 34 aus GaAs0.93Sb0.07 gebildet wird. Diese Schicht wird durch Zugabe entsprechender Elemente wie Zn bzw. Te p bzw. n dotiert, um die Energie der Typ II Banddiskontinuitäten zu kontrollieren, die die Laserenergie der W-Struktur bestimmen.The first sub-region 32 and the third sub-region 36 are constructed in the same way, as shown in this embodiment. They comprise the same materials. All three sub-regions 30 of the
Die Dotierungen und Legierungen der Sub-Bereiche 30 können variieren. Beispielsweise ist es möglich und durchaus vorteilhaft, wenn die Legierung mittels Antimon Sb im Bereich zwischen 5 % und 10 % liegt, beispielsweise etwa 9 % ist.The doping and alloying of the sub-ranges 30 can vary. For example, it is possible and quite advantageous if the alloy using antimony Sb is in the range between 5% and 10%, for example about 9%.
Anhand der
Die Ausführungsform gemäß
Für die Wellenlänge, die von dem Halbleiterlaser 10 abgegeben und ausgestrahlt wird, ist die Emissionsenergie entscheidend. Diese entspricht in erster Näherung der Bandlücke, die zwischen dem Valenzband des zweiten Sub-Bereichs 34 zu dem Leitungsband des ersten Sub-Bereichs 32 bzw. dritten Sub-Bereichs 36 gebildet wird. Durch eine geeignete Dotierung der Elemente des Materialsystems des Halbleiterlasers und durch eine geeignete Auswahl der entsprechenden Elemente des Materialsystems lässt sich diese Bandlücke beeinflussen, was die Möglichkeit bietet, die Emissionsenergie und die Wellenlänge des Halbleiterlasers in gewünschter Form anzupassen.The emission energy is crucial for the wavelength emitted and radiated by the
In der gezeigten Ausführungsform findet der relevante Übergang zwischen den Gamma-artigen Valenzbandzuständen des Siliziums mit den Leitungsbandzuständen im nativ n-dotierten GaN statt. Eine Variation der n-Dotierung in GaN bestimmt die Hetero-Offsets. Die L-artigen Leitungsbandminima des Siliziums an der indirekten Bandlücke spielen in der Regel keine Rolle.In the embodiment shown, the relevant transition between the gamma-like valence band states of silicon and the conduction band states in the natively n-doped GaN takes place. A variation of the n-doping in GaN determines the hetero-offsets. The L-like conduction band minima of silicon at the indirect band gap generally play no role.
Ein analoges Bild würde sich bei einer p-Dotierung in Silizium ergeben. Dem Fachmann sind die entsprechenden Übergänge klar.An analogous picture would arise with p-doping in silicon. The corresponding transitions are clear to the expert.
Die
Für die Emissionsenergie des Typ II-Übergangs ist neben den Bandlückenenergien der verwendeten Halbleiter der aktiven Struktur vor allem die Bandiskontinuität an der Grenzfläche (Band-Offset) von Bedeutung. Da die Ladungsträger vom Leitungsband (LB bzw. CB) des anderen rekombinieren, ist für die Emission die Energiedifferenz zwischen Leitungsband und Valenzband entscheidend. Bestimmt wird diese Diskontinuität in erster Näherung durch die Austrittsenergie sowie das Fermi-Niveau der Halbleiterheterostruktur. Dotiert man einen Halbleiter, verschiebt sich dieses Fermi-Niveau entweder in Richtung des Leitungsbandes LB (N-Dotierung) oder in Richtung des Valenzbandes VB (P-Dotierung). Da die Strukturen räumlich weniger ausgedehnt sind als die Raumladungszone, kommt es zu einem Fermi-Niveau-Pinning. Somit lässt sich beispielsweise für Quantenfilme, Quantendrähte oder Quantenpunkte die Banddiskontinuität und somit die Emissionsenergie durch die Dotierung der Halbleiterschichten des Typ II-Übergangs, also durch Dotierung der Sub-Bereiche 30 kontrollieren und gezielt manipulieren.In addition to the band gap energies of the semiconductors used in the active structure, the band discontinuity at the interface (band offset) is of particular importance for the emission energy of the type II transition. Since the charge carriers recombine from the conduction band (LB or CB) of the other, the energy difference between the conduction band and the valence band is crucial for the emission. This discontinuity is determined in a first approximation by the exit energy and the Fermi level of the semiconductor heterostructure. If one does a semiconductor, this Fermi level shifts either in the direction of the conduction band LB (N-doping) or in the direction of the valence band VB (P-doping). Since the structures are spatially less extensive than the space charge zone, Fermi level pinning occurs. Thus, for example, for quantum films, quantum wires or quantum dots, the band discontinuity and thus the emission energy can be controlled and specifically manipulated by doping the semiconductor layers of the type II transition, i.e. by doping the sub-regions 30.
Die hier beschriebenen Konzepte spiegeln eine allgemeine Eigenschaft von Halbleitern und Halbleiterlasern wider. Aus diesem Grund ist die Erfindung nicht nur auf direkte Halbleiter beschränkt, sondern ist auch auf indirekte Halbleiter übertragbar, da nur der Gamma-Punkt relevant ist. Weiter können auch multinäre Verbindungshalbleiter in der aktiven Schicht realisiert werden und das Konzept unabhängig von der Substratplattform angewendet werden, was insbesondere bei industriellen Anwendungen von großem Vorteil ist.The concepts described here reflect a general property of semiconductors and semiconductor lasers. For this reason, the invention is not only limited to direct semiconductors, but is also transferable to indirect semiconductors, since only the gamma point is relevant. Furthermore, multinary compound semiconductors can also be realized in the active layer and the concept can be applied independently of the substrate platform, which is of great advantage, especially in industrial applications.
Neben einem Design von Kantenemittern ist es auch möglich, Oberflächenemitter zu designen, wie
Claims (10)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023105419 | 2023-03-06 | ||
| DE102023105419.8 | 2023-03-06 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102024106171A1 DE102024106171A1 (en) | 2024-09-12 |
| DE102024106171B4 true DE102024106171B4 (en) | 2025-01-02 |
Family
ID=92459697
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102024106171.5A Active DE102024106171B4 (en) | 2023-03-06 | 2024-03-04 | Semiconductor laser with semiconductor material system with Fermi level control by doping the active region at spatially indirect transitions |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102024106171B4 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5799026A (en) | 1996-11-01 | 1998-08-25 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Interband quantum well cascade laser, with a blocking quantum well for improved quantum efficiency |
| US6154475A (en) | 1997-12-04 | 2000-11-28 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Silicon-based strain-symmetrized GE-SI quantum lasers |
| US20070051963A1 (en) | 2005-09-06 | 2007-03-08 | Yifan Chen | Semiconductor light source |
| US20120269221A1 (en) | 2011-04-20 | 2012-10-25 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Interband Cascade Lasers with Engineered Carrier Densities |
| DE102011103143A1 (en) | 2011-05-25 | 2012-11-29 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg | Interband cascade laser gain medium |
| US20150244144A1 (en) | 2014-02-24 | 2015-08-27 | Board Of Regents University Of Oklahoma | Tunable Semiconductor Lasers |
| EP3506439A1 (en) | 2017-12-27 | 2019-07-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Quantum cascade laser |
-
2024
- 2024-03-04 DE DE102024106171.5A patent/DE102024106171B4/en active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5799026A (en) | 1996-11-01 | 1998-08-25 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Interband quantum well cascade laser, with a blocking quantum well for improved quantum efficiency |
| US6154475A (en) | 1997-12-04 | 2000-11-28 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Silicon-based strain-symmetrized GE-SI quantum lasers |
| US20070051963A1 (en) | 2005-09-06 | 2007-03-08 | Yifan Chen | Semiconductor light source |
| US20120269221A1 (en) | 2011-04-20 | 2012-10-25 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Interband Cascade Lasers with Engineered Carrier Densities |
| DE102011103143A1 (en) | 2011-05-25 | 2012-11-29 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg | Interband cascade laser gain medium |
| US20150244144A1 (en) | 2014-02-24 | 2015-08-27 | Board Of Regents University Of Oklahoma | Tunable Semiconductor Lasers |
| EP3506439A1 (en) | 2017-12-27 | 2019-07-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Quantum cascade laser |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102024106171A1 (en) | 2024-09-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE69411364T2 (en) | Semiconductor laser | |
| DE69407455T2 (en) | Semiconductor laser | |
| EP1883141B1 (en) | LD or LED with superlattice cladding layer | |
| DE69129181T2 (en) | Optical semiconductor device | |
| DE69223895T2 (en) | Eliminating tape discontinuities in heterojunctions | |
| DE3688064T2 (en) | SEMICONDUCTOR DEVICE. | |
| DE69209016T2 (en) | Subject which contains a DFB semiconductor laser | |
| DE69305058T2 (en) | Injection laser emitting in the blue-green area | |
| DE69904265T2 (en) | Semiconductor laser | |
| DE69031415T2 (en) | Semiconductor laser elements and process for their manufacture | |
| DE69432345T2 (en) | Semiconductor diode laser | |
| DE3586934T2 (en) | SEMICONDUCTOR LASER. | |
| DE69838308T2 (en) | Longwave VCSEL | |
| DE60313140T2 (en) | QUANTUM NANO COMPOSITION SEMICONDUCTOR LASER AND QUANTUM NANO COMPOSITION ARRAY | |
| DE69521556T2 (en) | Manufacturing method for an optical semiconductor device | |
| DE60012592T2 (en) | Semiconductor laser and method for its production | |
| DE60302246T2 (en) | METHOD FOR PRODUCING QUANTUM DOTS FOR LONG-WAVE OPERATION | |
| DE69402733T2 (en) | Diode laser | |
| DE69412666T2 (en) | Gain-coupled semiconductor laser with distributed feedback and manufacturing process | |
| DE102016109022A1 (en) | laser diode chip | |
| DE3888575T2 (en) | Light emitting device. | |
| DE112019006575B4 (en) | Semiconductor light-emitting element and method for producing a semiconductor light-emitting element | |
| DE102024106171B4 (en) | Semiconductor laser with semiconductor material system with Fermi level control by doping the active region at spatially indirect transitions | |
| EP1883119A2 (en) | Semiconductor layer structure with overlay grid | |
| DE69004629T2 (en) | Quantum structure semiconductor laser. |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R018 | Grant decision by examination section/examining division |