DE2263828B2

DE2263828B2 -

Info

Publication number: DE2263828B2
Application number: DE2263828A
Authority: DE
Inventors: Hans-Dietrich 7000 Stuttgart Wolf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-12-28
Filing date: 1972-12-28
Publication date: 1979-06-13
Also published as: DE2263828C3; GB1432215A; LU69070A1; NL7317036A; DE2263828A1; BE809256A; IT1000737B; ATA963373A; FR2212738B1; JPS4998589A; CH575660A5; FR2212738A1; CA1026858A; AT339973B

Description

10. Laserdiodenach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die p- ( 1) und die n-dotierte (3) Schicht aus In_xGa₁ __XP bestehen und die Zwischenschicht (2) aus In₁Ga_1-2P besteht, wobei für die Werte ζ und χ gilt10. Laser diode according to one of claims 1 to 7, characterized in that the p- (1) and the n-doped (3) layer consist of In _x Ga ₁ _ _X P and the intermediate layer (2) consists of In ₁ Ga _{1- 2} P, where the values ζ and χ apply

11. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die p- (1) und die n-dotierte (3) Schicht aus Ga_xAl_1-1P bestehen und die Zwischenschicht (2) aus Ga₂AI₁^P besteht, wobei für die Werte ζ und χ gilt11. Laser diode according to one of claims 1 to 7, characterized in that the p- (1) and the n-doped (3) layer consist of Ga _x Al _1-1 P and the intermediate layer (2) of Ga ₂ Al ₁ ^ P, where the values ζ and χ apply

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserdiode, wie sie aus dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 hervorgeht. The invention relates to a laser diode such as it emerges from the preamble of claim 1.

Eine lumineszente Halbleiterdiode, die u. a. die Merkmale des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 hat, ist aus der deutschen Auslegeschrift 1278 003 bekannt. Diese Halbleiterdiode ist diesseits und jenseits der Übergangszone aus voneinander verschiedenem Material aufgebaut, wobei das Material mit dem grö- ~> ßeren Bandabstand stärker dotiert igt als das Material mit dem kleineren Bandabstand. Diese Diode besteht aus einem Basisblock, für den Germanium und HIV-Verbindungen vorgeschlagen sind. Sie hat eine pleitende und eine η-leitende Injektorelektrode. BeiA luminescent semiconductor diode which, inter alia. the features of the preamble of claim 1 has, is known from the German Auslegeschrift 1278 003. This semiconductor diode is here and there the transition zone is made up of different materials, whereby the material with the largest ~> the larger band gap is more heavily doped than the material with the smaller band gap. This diode consists from a basic block for which germanium and HIV compounds are suggested. She has a bankrupt and an η-conductive injector electrode. at

hi der Halbleiterdiode nach der genannten Druckschrift ist die Basis leitend dotiert, z. B. η-dotiert. Es liegen dort somit keine isoelektronischen Einfangszentren vor, wie sie der noch nachfolgenden Erfindungsbeschreibung zu entnehmen sind und wie sie für die vor-hi the semiconductor diode according to the cited publication the base is conductively doped, e.g. B. η-doped. There are therefore no isoelectronic capture centers there before, as they can be found in the description of the invention below and how they are

n liegende Erfindung wesentlich sind.n lying invention are essential.

In »Applied Physics Letters«, Bd. 14 (1969), Seite 193-195 wird eine rotleuchtende Galliumphosphid-Lumineszenzdiode mit einer p-i-n-Struktur beschrieben. Als Material für diese Lumineszenzdiode ist GaI-In "Applied Physics Letters", Vol. 14 (1969), pages 193-195, a red-glowing gallium phosphide light-emitting diode described with a p-i-n structure. The material for this light emitting diode is GaI-

JH Iiumphosphid angegeben und für die Dotierung sind Stickstoff, Schwefel und Zink genannt. Es ist nicht einmal anzunehmen, geschweige denn beschrieben, daß Stickstoffatome z. B. durch Diffusion in die i-Zone gelangt seien, da gleichzeitig eindiffundierendesJH Iiumphosphid indicated and for the doping are Called nitrogen, sulfur and zinc. It is not even to be assumed, let alone described, that nitrogen atoms z. B. have reached the i-zone by diffusion, since diffusing at the same time

r> Zink die Eigenleitung dieser Zone beseitigen würde. Wegen des hohen Diffusionskoeffizienten von Zink würde dieser Stoff dabei in besonders starkem Maße eindiffundieren.r> zinc would eliminate the self-conduction of this zone. Because of the high diffusion coefficient of zinc, this substance would be particularly strong diffuse in.

Die US-Patentschrift 3414441 beschreibt eine Lu-The US patent 3414441 describes a Lu-

ii) mineszenzdiode aus III-V-Verbindungen, in der Wismutatome vorhanden sind, die isoelektronische Zentren bilden.ii) minescent diode from III-V compounds, in the bismuth atoms are present that form isoelectronic centers.

Aus »Physical Review Letters«, Bd. 27 (1971), Nr. 24, Seiten 1647—1650 ist in anderem ZusammenhangFrom "Physical Review Letters", Vol. 27 (1971), No. 24, pages 1647-1650 is in a different context

r> als mit Elektrolumineszenz im pn-übergang bekannt, daß in einem Halbleiterkörper aus Galliumphosphid stimulierte Emission mit Hilfe optischen Pumpens angeregt werden kann. Das Galliumphosphid ist mit Stickstoff oder Wismut dotiert, und zwar mit einer Konzentration von 5 · 10¹⁶bis 1 · iO¹⁹ Atome pro cm³. Die durch stimulierte Emission erzeugte Strahlung liegt für Stickstoff in einem Wellenlängenbereich zwischen 540 und 570 μπι. Das mit diesen Dotierungen versehene GaP weist bei Betrieb als Laser eine beson-r> as known with electroluminescence in the pn junction that stimulated emission in a semiconductor body made of gallium phosphide can be excited with the aid of optical pumps. The gallium phosphide is doped with nitrogen or bismuth with a concentration of 5 · 10 ¹⁶ to 1 · ^{10 19} atoms per cm ³ . The radiation generated by stimulated emission is for nitrogen in a wavelength range between 540 and 570 μm. When operated as a laser, the GaP provided with these dopings has a special

4. ders große Verstärkung der Emissionsstrahlung auf. Stickstoff und Wismut bilden isoelektronische Einfangszentren. Unter isoelektronischen Einfangszentren im Kristallgitter sind solche Fremdatome zu verstehen, die anstelle eines Wirtsgitteratomes im Kristall4. This great amplification of the emission radiation. Nitrogen and bismuth form isoelectronic capture centers. Under isoelectronic capture centers In the crystal lattice such foreign atoms are to be understood that instead of a host lattice atom in the crystal

-,ο eingebaut werden und die die gleiche Anzahl von Elektronen in der Valenzschale ihrer Atomhülle besitzen wie die Wirtsgitteratome und die weder zu einer r>- noch zu einer p-Leitfähigkeit führen.-, ο to be installed and which have the same number of Electrons in the valence shell of their atomic shell have like the host lattice atoms and neither to one r> - still lead to a p-conductivity.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eineThe object of the present invention is to provide a

-,-, Laserdiode anzugeben, bei der eine gegenüber dem angegebenen Stand der Technik höhere Quantenausbeute bei Umsetzung elektrischer Energie in emittierte Lichtstrahlung erzielt wird.-, -, to specify laser diode, in which one opposite the specified prior art higher quantum yield when converting electrical energy into emitted Light radiation is achieved.

Diese Aufgabe wird bei einer wie im OberbegriffThis task is done with a like in the generic term

mi des Patentanspruches 1 angegebenen Laserdiode erfindungsgemäß gelöst, wie dies aus dem Kennzeichen dieses Anspruches hervorgeht.mi of claim 1 specified laser diode according to the invention solved, as can be seen from the characteristic of this claim.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrades der Ort derThe invention is based on the consideration that to further increase the efficiency of the location

_b5 Erzeugung von freien Ladungsträgerpaaren von demjenigen der Rekombination an isoelektronischen Einfangszentren im Kristall getrennt werden sollte. Hierzu wird der Umstand genutzt, daß freie Ladungs- _b 5 generation of free charge carrier pairs should be separated from that of recombination at isoelectronic capture centers in the crystal. For this purpose, the fact is used that free charge

träger eine Wegstrecke in einen Kristall hineindiffundieren können, weil sie erst innerhalb einer sehr kurzen, aber endlichen Zeit der Größenordnung IO"¹⁰ see, die als Lebensdauer der Ladungsträger bezeichnet wird, rekombinieren. ίcarriers can diffuse a distance into a crystal because they only ^{recombine within a very short but finite time of the order of 10} seconds, which is called the life of the charge carriers. ί

Es wird ein Kristall, vorzugsweise ein Einkristall, mit drei aneinandergrenzenden Schichten von unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp verwendet. Dabei müssen die drei Schichten nicht notwendigerweise aus demselben Material bestehen, sondern können auch "> aufeinanderliegende Schichten aus voneinander verschiedenem Material sein.It becomes a crystal, preferably a single crystal, with three adjoining layers of different ones Conductivity type used. The three layers do not necessarily have to be off consist of the same material, but can also consist of layers lying on top of one another and which are different from one another Be material.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in Verbindung mit der Figur nachfolgend erläutert. Dabei besteht der Einkristall z. B. einheitlich aus GaP. ι > In der Schicht 1 ist er mit Akzeptoren, in der Schicht 2 mit isoelektronischen Eingangszentren wie z. B. Stickstoff und in der Schicht 3 mit Donatoren dotiert. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden, derart, daß die Elektrode 4 positiv und -^Ί< > die Elektrode S negativ gepolt ist, ist der p-i-n-Übergangin Flußrichtung gepolt. Dabei werden sowohl die Defektelektronen als auch die Elektronen in die hochohmige und in diesem speziellen Fall eigenleitende Schicht 2 injiziert, die dort an den isoelektroni- r> sehen Einfangszentren rekombinieren können, da diese einen genügend großen Einfangsquerschnitt für freie Ladungsträger haben. Es ist auch ferner möglich, den p-i-n-Ubergang im Lawinendurchbruch, also in Sperrichtung, zu betreiben, da hierdurch ebenfalls m freie Ladungsträgerpaare erzeugt werden und anschließend zur Rekombination kommen.An exemplary embodiment of the invention is explained below in connection with the figure. The single crystal consists z. B. uniformly made of GaP. ι> In layer 1 he is with acceptors, in layer 2 with isoelectronic input centers such. B. nitrogen and doped in layer 3 with donors. When applying an electric voltage to the electrodes such that the electrode 4 is positive and - ^Ί <>, the electrode negative polarity S, the pin is poled transition in the flow direction. Both the defect electrons and the electrons are injected into the high-resistance and in this special case intrinsic layer 2, which can recombine there at the isoelectronic trapping centers, since these have a sufficiently large trapping cross-section for free charge carriers. It is also possible to operate the pin junction in the avalanche breakdown, that is, in the reverse direction, since this also generates m free charge carrier pairs and then recombines.

Vorteilhaft ist es, für die Schichten 1 und 3 HaIbIeI termaterialien zu nehmen, die eine größere Bandlükken-Energie besitzen als das Halbleitermaterial der r> Schicht 2. Für einen hohen Konversionswirkungsgrad der Laserdiode ist es weiterhin von Vorteil, wenn man Halbleitermaterialien mit möglichst geringer Abweichung der Gitterkonstanten verwendet. Eine in diesem Sinne besonders günstige Werkstoffkombination -in ist: Für di"· Schicht 1 ein p-dotierter Mischkristall aus (Ga_1-1Al_x)P, ferner für die eigenleitende Schicht 2 reines GaP mit Stickstoffdotierung als isoelektronische Zentren und schließlich für die Schicht 3 wiederum (Ga₁.,AIj)P mit π-Leitfähigkeit. Wie in der -r, Literaturstelle Jour. Appl. Phys., VoI. 42, Nr. 5, Seite 1929 bh 1941, dargelegt ist, füirt ein solcher HeteroÜbergang infolge des geänderten Bandabstandes zu einer Potentialbarriere für die freien Ladungsträger und gleichzeitig zu einer Änderung des optischen Bre- -> <i chungsindex für die entstehende Rekombinationsstrahlung. Der erstgenannte Potentialbarriereneffekt führt insbesondere bei sehr dünnen eigenleitenden Schichten 2 von z. B. 0,1 μτη Dicke zu einer Erhöhung der Rekombinationswahrscheinlichkeit in der mit r> isoelektronischen Zentren besetzten Schicht. Der zweitgenannte Effekt der Änderung des Brechungsindex bewirkt eine Reflexion der Rekombinationsstrahlung an den Schichten 1 und 3, derart, daß Schicht 2 zu einem Wellenleiter wird, in dem eine erhöhte op- «ι tische Flußdichte herrscht. Laser mit einer derartigen Heteröstfuktur führen bekanntlich zu einem niedrigen Schwellenstromwert für den Einsatz der Laseroszillation und erlauben somit einen Dauerstrichbetrieb des Festkörperlasers auch bei Zimmertemperatur. Die Einführung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen mit isoelektronischen Zentren besetzten Schicht 2 bringt also in der Lpier-Technologie insofern einen Vorteil, als Licht mit höherer Photonenenergie erzeugt werden kann. Außerdem wird die Lichtausbeute des Lasers erhöht, da mit N oder Bi isoelektronisch dotiertem GaP überwiegend strahlende Rekombination verursacht.It is advantageous to use halide materials for layers 1 and 3 that have a higher band gap energy than the semiconductor material of layer 2. For a high conversion efficiency of the laser diode, it is also advantageous to use semiconductor materials with as little deviation as possible of the lattice constants are used. A particularly favorable material combination -in in this sense is: For di "· layer 1 a p-doped mixed crystal made of (Ga _1-1 Al _x ) P, further for the intrinsic layer 2 pure GaP with nitrogen doping as isoelectronic centers and finally for the Layer 3 in turn (Ga _1. , Alj) P with π-conductivity. As set out in the -r, literature reference Jour. Appl. Phys., Vol. 42, No. 5, page 1929 bh 1941, such a heterojunction causes such a heterojunction as a result of the changed band gap to a potential barrier for the free charge carriers and at the same time to a change in the optical refraction index for the resulting recombination radiation Thickness increases the probability of recombination in the layer occupied by r> isoelectronic centers tion radiation on layers 1 and 3, such that layer 2 becomes a waveguide in which there is an increased optical flux density. It is known that lasers with such a heterostructure lead to a low threshold current value for the use of laser oscillation and thus allow continuous wave operation of the solid-state laser even at room temperature. The introduction of the layer 2 which is proposed according to the invention and which is occupied by isoelectronic centers therefore has an advantage in Lpier technology insofar as light with higher photon energy can be generated. In addition, the light yield of the laser is increased, since GaP which is isoelectronically doped with N or Bi mainly causes radiative recombination.

Bei einer gemäß der Figur in Flußrichtung zu betreibenden Laserdiode aus z. B. (Ga,__xAl_x)P hat die p-leitende Schicht 1 z. B. eine Zn-Dotierung von 10¹⁸ bis 10" Atome/cm³ sowie die n-Jeitende Schicht 3 z. B. eine Te-Dotierung von ΙΟ¹⁷ bis 10¹⁸ Atome/cm^J im jeweils gleichen Grundmaterial. Die Dicke dieser Schichten ist elektrisch gesehen unkritisch, sollte aber aus wärmetechnischen Gründen nicht zu groß gewählt sein und sollte etwa bis zu 10 um betragen. Zwischen beiden Schichten 1,3 befindet sich eine Schicht 2 aus GaP, die mit isoelektronischen Einfangszentren, z. B. mit N oder Bi, dotiert ist. In diese Schicht 3 werden die Elektronen und Löcher aus der p-leitenden Schicht 1 bzw. der n-Ieitenden Schicht 3 injiziert. Die Dotierungskonzentration der Schicht 2 an N- bzw. Bi-Atomen beträgt etwa 5 · 10¹⁵ Aitome/cm³ bis etwa 1 · 10" Atome/cm³. Die Dicke dieser Schicht liegt zwischen 0,1 um und etwa 3 μΐη unJ optimalerweise bei etwa 0,5 μΐη. Der Fabry-Perot-Resonator dieser Laserdiode wird aus in bekannter Weise reflektierenden, zueinander parallelen und senkrecht zu den Schichten 1 bis 3 orientierten Flächen 6, 7 gebildet. Zwischen diesen Flächen 6, 7 wird eine kohärente Verstärkung der Rekombinationsstrahlung erzwungen. In zur Ausbreitungsrichtung der Rekombinationsstrahlung orthogonaler Richtung wird Kohärenz dieser Strahlung durch nicht spiegelnde Kristalloberflächen vermieden, da anderenfalls ein partieller Energieentzug aus der kohärenten Strahlung der vorgesehenen Ausbreitungsrichtung erfolgt. Mit 8 ist aus der Laserdiode austretende kohärente Strahlung bezeichnet. When a laser diode to be operated according to the figure in the flow direction from z. B. (Ga, _ _x Al _x ) P has the p-type layer 1 z. B. Zn doping of 10 ¹⁸ to 10 "atoms / cm ³ and the n-type layer 3, for example Te doping of ΙΟ ¹⁷ to 10 ¹⁸ atoms / cm ^J in the same base material. The thickness of these layers is not critical from an electrical point of view, but for thermal reasons it should not be too large and should be up to about 10 μm The electrons and holes from the p-conducting layer 1 and the n-conducting layer 3 are injected into this layer 3. The doping concentration of N and Bi atoms in layer 2 is approximately 5 · 10 ¹⁵ Atoms / cm ³ to about 1 x 10 4 "atoms / cm ³ . The thickness of this layer is between 0.1 μm and about 3 μm and optimally about 0.5 μm. The Fabry-Perot resonator of this laser diode is formed from surfaces 6, 7 which reflect in a known manner, are parallel to one another and oriented perpendicular to the layers 1 to 3. A coherent amplification of the recombination radiation is enforced between these surfaces 6, 7. In the direction orthogonal to the direction of propagation of the recombination radiation, coherence of this radiation is avoided by non-reflective crystal surfaces, since otherwise there is partial energy extraction from the coherent radiation of the intended direction of propagation. With 8 emerging from the laser diode is referred to coherent radiation.

Es ist ferner zu bemerken, daß bei der Herstellung der Schichtstruktur eine zusätzliche N- bzw. Bi-Dotierung in den Schichten 1 und 3 nicht stören würde. Diese Tatsache bedeutet insofern eine Vereinfachung, da z. B. bei der Schichtherstellung aus der Gasphase während des gesamten Wachstums die Dotierung mit isoelektronischen Einfangszentren z. B. in Form von NH₃-GaS vorgenommen werden kann.It should also be noted that additional N or Bi doping in layers 1 and 3 would not interfere with the production of the layer structure. This fact means a simplification, since z. B. in the layer production from the gas phase during the entire growth doping with isoelectronic capture centers z. B. can be made in the form of NH ₃ -GaS.

Wegen der höheren Lichtausbeute bei Rekombination an isoelektronischen Einfangszentren sind p-i-n-Schichtstrukturen gemäß der Figur auch über den obengenannten Kristall hinaus bei weiteren Wirtsgittern anwendbar, und zwar zur Erzeugung von Strahlung mit anderen Wellenlängen. Zur Verschiebung der Emissionslinie in Richtung auf den roten Wellenlängenbereich empfiehlt es sich z. B. Schichten 1 und 3 aus (GaAl)As _1-x P_x als Wirtskristall zu nehmen und Schicht 2 aus GaAs_1-^P_x. Die Änderung der Wellenlänge läßt sich auch durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse eines Mischkristalle* in den verschiedenen Schichten erreichen, was zu einer besonders günstigen Anpassung der Gitterkonstanten in den HeteroÜbergängen führt. So liefert z. B. eine Anordnung mit einem Wirtsgitter aus Ga_1-^AI_xP für die Schichten 1 und 3 und mit einem Wirtsgitter aus Ga_1-1Al₁P mit 0^z<x^l für die Schicht 2 eine spektrale Verschiebung der Emissionslinie in Richtung zum blauen Wellenlängenbereich. Bei analogem Aufbau der Schichten aus In_xGa_1-1P als Wirtskristall läßt sich eine Verschiebung in Richtung zum roten Wellenlängenbereich erreichen.Because of the higher light yield with recombination at isoelectronic capture centers, pin layer structures according to the figure can also be used in other host lattices beyond the above-mentioned crystal, namely for generating radiation with other wavelengths. To shift the emission line in the direction of the red wavelength range, it is advisable, for. B. layers 1 and 3 of (GaAl) As _1-x P _x to take as host crystal and layer 2 of GaAs _1- ^ P _x . The change in wavelength can also be achieved through different mixing ratios of a mixed crystal * in the different layers, which leads to a particularly favorable adaptation of the lattice constants in the hetero transitions. For example, B. an arrangement with a host lattice made of Ga _1- ^ Al _x P for layers 1 and 3 and with a host lattice made of Ga _1-1 Al ₁ P with 0 ^ z <x ^ l for layer 2 a spectral shift of the emission line towards the blue wavelength range. With an analogous structure of the layers of In _x Ga _1-1 P as host crystal, a shift in the direction of the red wavelength range can be achieved.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claims;

1. Laser diode made from a crystal on the base of GaAs and / or GaP with at least one p-i-n junction with an intrinsic intermediate layer between a p- and an n-layer, the intermediate layer being essentially is poor in free charge carriers, and where free charge carriers in the area of the pn junction recombine radiating, characterized in that the intermediate layer (2) consists of one Material with indirect junctions consists that is doped with a substance contained in the material this intermediate layer (2) causes isoelectric capture centers.

2. Laser diode according to claim 1, characterized in that the intermediate layer (2) consists of GaP exists.

3. Laser diode according to claim 2, characterized in that for the doping of the intermediate layer (2) nitrogen and / or bismuth is used.

4. Laser diode according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the thickness of the intermediate layer (2) is smaller than the diffusion length of the free charge carriers Ln. this layer.

5. Laser diode according to claim 4, characterized in that the thickness of the intermediate layer (2) is about 0.1 to 3 μm.

6. Laser diode according to claim 2 and 3, characterized in that the density of the isoelectronic capture centers in the material of the intermediate layer (2) is between 5 · 10 ¹⁵ and 1 · 10 ¹⁹ atoms / cm ³ .

7. Laser diode according to claim 1 to 6, characterized in that the outer crystal legs (6,7) of the body delimiting the diode at the same time as reflection surfaces for a laser resonator are trained.

8. Laser diode according to one of claims 1 to 7, characterized in that the p- (1) and the η-doped layer (3) consist of GaAs _x P ₁ _ _x

9. Laser diode according to one of claims 1 to 7, characterized in that the p- (1) and the n-doped (3) layer made of GaAs ₁ P _1- , and the intermediate layer (2) made of GaAs P _1-2 exists, where for the values ζ and χ applies