DE2263828C3

DE2263828C3 - Laser diode

Info

Publication number: DE2263828C3
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: 1980-02-14
Also published as: GB1432215A; LU69070A1; NL7317036A; DE2263828A1; BE809256A; IT1000737B; ATA963373A; DE2263828B2; FR2212738B1; JPS4998589A; CH575660A5; FR2212738A1; CA1026858A; AT339973B

Description

10. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die p- ( 1) und die n-dotierte (3) Schicht aus In₁Ga_1-1P bestehen und die Zwischenschicht (2) aus In₂Ga₁^P besteht, wobei für die Werte ζ und χ gilt <10. 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 ₁ Ga _1-1 P and the intermediate layer (2) consists of In ₂ Ga ₁ ^ P, where the values ζ and χ have <

11. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die p- (1) und die n-dotierte (3) Schicht aus Ga₁Al_1-1P bestehen und die Zwischenschicht (2) aus Ga₂AI_1-2P 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 ₁ Al _1-1 P and the intermediate layer (2) of Ga ₂ Al _{1 -2} 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 1A luminescent semiconductor diode which, inter alia. the features of the preamble of claim 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 größeren Bandabstand stärker dotiert ist als das Material mit dem kleineren Bandabstand. Diese Diode besteht aus einem Basisblock, für den Germanium und III-V-Verbindungen vorgeschlagen sind. Sie hat eine pleitende und eine η-leitende Injektorelektrode. Bei 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 vorliegende Erfindung wesentlich sind.has, is known from the German Auslegeschrift 1278 003. This semiconductor diode is on this side and on the other side of the transition zone from one another Material built up, wherein the material with the larger band gap is more heavily doped than the material with the smaller band gap. This diode consists of a basic block, for the germanium and III-V compounds are suggested. It has a fail-safe and an η-conductive injector electrode. at the semiconductor diode according to the document mentioned, the base is conductively doped, for. B. η-doped. There are there therefore no isoelectronic capture centers, as described in the description of the invention below can be seen and how they are essential for the present invention.

In »Applied Physics Letters«, Bd. 14 (1969), Seite 193-195 wird eine roileuchtende Galliumphosphid-Lumineszenzdiode mit einer p-i-n-Struktur beschrieben. Als Material für diese Lumineszenzdiode ist GaI-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 eindiffundierendes Zink die Eigenleitung dieser Zone beseitigen würde. Wegen des hohen Diffusionskoeffizienten von Zink würde dieser Stoff dabei in besonders starkem Maße eindiffund;eren.In "Applied Physics Letters", Vol. 14 (1969), pages 193-195, a fluorescent gallium phosphide light-emitting diode described with a p-i-n structure. The material used for this light emitting diode is GaI-Iiumphosphid indicated and nitrogen, sulfur and zinc are mentioned for the doping. It is not once to assume, let alone described, • that nitrogen atoms z. B. by diffusion into the i-zone because zinc diffusing in at the same time would remove the intrinsic conduction of this zone. Because of the high diffusion coefficient of zinc, this substance would be particularly strong diffuse in; eren.

Die US-Patentschrift 3414441 beschreibt eine Lumineszenzdiode aus Ill-V-Verbindungen, in der Wismutatome vorhanden sind, die isoelektronische Zentren bilden.US Patent 3414441 describes a light emitting diode from III-V compounds in which bismuth atoms are present, the isoelectronic centers form.

Aus »Physical Review Letters«, Bd. 27 (1971), Nr. 24, Seiten 1647-1650 ist in anderem Zusammenhang 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 · 10^lftbis 1 · 10¹⁹Atome pro cm \ Die durch stimulierte Emission erzeugte Strahlung liegt für Stickstoff in einem Wellenlängenbereich zwischen 540 und 570 μηι. Das mit diesen Dotierungen versehene GaP weist bei Betrieb als Laser eine besonders 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 Kristall eingebaut werden und die die gleiche Anzahl von Elektronen in der Valenzschale ihrer Atomhülle besitzen wie die Wirtsgitteratome und die weder zu einer n- noch zu einer p-Leitfähigkeit führen.From "Physical Review Letters", Vol. 27 (1971), No. 24, pages 1647-1650, in connection with other than electroluminescence in the pn junction, it is known that emission stimulated 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 ^lft to 1 · 10 ¹⁹ atoms per cm \ The radiation generated by stimulated emission is for nitrogen in a wavelength range between 540 and 570 μm. The GaP provided with these dopings has a particularly large amplification of the emission radiation when operated as a laser. Nitrogen and bismuth form isoelectronic capture centers. Isoelectronic capture centers in the crystal lattice are those foreign atoms that are built into the crystal instead of a host lattice atom and that have the same number of electrons in the valence shell of their atomic shell as the host lattice atoms and that lead to neither n nor p conductivity.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Laserdiode anzugeben, bei der eine gegenüber dem angegebenen Stand der Technik höhere Quantenausbeute bei Umsetzung elektrischer Energie in emittierte Lichtstrahlung erzielt wird.The object of the present invention is to provide a laser diode in which one compared to the specified prior art higher quantum yield when converting electrical energy into emitted Light radiation is achieved.

Diese Aufgabe wird bei einer wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Laserdiode erfindungsgemäß gelöst, wie dies aus dem Kennzeichen dieses Anspruches hervorgeht.This object is achieved according to the invention with a laser diode as specified in the preamble of claim 1 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 der Erzeugung von freien Ladungsträgerpaaren von demjenigen der Rekombination an isoelektronischen Einfangszentren im Kristall getrennt werden sollte. Hierzu wird der Umstand genutzt, daß freie Ladungs-The invention is based on the consideration that to further increase the efficiency of the location Generation of free carrier pairs from that of recombination at isoelectronic capture centers should be separated 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 10~^1G see, die als Lebensdauer der Ladungsträger bezeichnet wird, rekombinieren.Carriers can diffuse a distance into a crystal because they recombine only within a very short but finite time of the order of 10 ~ ^1G see, which is referred to as the life of the charge carriers.

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 aufeinanderiiegende 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 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. 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 die Elektrode 5 negativ gepolt ist, ist der p-i-n-Übergang in 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 isoelektronisehen 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 freie Ladungsträgerpaare erzeugt werden und anschließend zur Rekombination kommen.An exemplary embodiment of the invention is explained below in conjunction with the figure. Included is the single crystal z. B. uniformly made of GaP. In layer 1 he is with acceptors, in layer 2 with isoelectronic entry centers such as B. nitrogen and doped in layer 3 with donors. When applying an electrical voltage to the electrodes, such that the electrode 4 positive and the electrode 5 is polarized negatively, the p-i-n junction is polarized in the forward direction. Both the Defect electrons as well as electrons in the high-resistance and in this special case intrinsic Layer 2 injected, which can recombine there at the isoelectronic capture centers, there these have a sufficiently large capture cross-section for free charge carriers. It is also possible to operate the p-i-n junction in the avalanche breakdown, i.e. in the reverse direction, since this also free charge carrier pairs are generated and then come to recombination.

Vorteilhaft ist es, für die Schichten 1 und 3 Halbleitermaterialien zu nehmen, die eine größere Bandlükken-Energie besitzen als das Halbleitermaterial der 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 ist: Für die Schicht 1 ein p-dotierter Mischkristall aus (Ga_1-1AIj)P, ferner für die eigenleitende Schicht 2 reines GaP mit Stickstoffdotierung als isoelektronische Zentren und schließlich für die Schicht 3 wiederum (Ga_1-1AlJP mit η-Leitfähigkeit. Wie in der Literaturstelle Jour. Appl. Phys., Vol. 42, Nr. 5, Seite 1929 bis 1941, dargelegt ist, führt ein solcher HeteroÜbergang infolge des geänderten Bandabstandes zu einer Potentialbarriere für die freien Ladungsträger und gleichzeitig zu einer Änderung des optischen Brechungsindex für die entstehende Rekombinationsstrahlung. Der erstgenannte Potentialbarriereneffekt führt insbesondere bei sehr dünnen eigenleitenden Schichten 2vonz. B. 0,1 μηι Dicke zu einer Erhöhung der Rekombinationswahrscheinlichkeit in der mit 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 optische Flußdichte herrscht. Laser mit einer derartigen HeteroStruktur 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 Laser-Technologie insofern einenIt is advantageous to use semiconductor 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 if semiconductor materials with the smallest possible deviation of the lattice constants are used . A particularly favorable combination of materials in this sense is: For the layer 1 a p-doped mixed crystal made of (Ga _1-1 Alj) P, furthermore for the intrinsic layer 2 pure GaP with nitrogen doping as isoelectronic centers and finally for the layer 3 again (Ga _1-1 AlJP with η conductivity. As set out in the literature reference Jour. Appl. Phys., Vol. 42, No. 5, pages 1929 to 1941, such a heterojunction leads to a potential barrier for the free ones due to the changed band gap Charge carriers and at the same time to a change in the optical refractive index for the resulting recombination radiation. The first-mentioned potential barrier effect leads to an increase in the probability of recombination in the layer occupied by isoelectronic centers, especially in the case of very thin intrinsic layers 2 of, for example, 0.1 μm thick A change in the refractive index causes the recombination radiation to be reflected at the Sc layer 1 and 3 in such a way 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 advantages in laser technology

Vorteil, als Licht mit höherer Photonenenergie erzeugt werden kann. Außerdem wird die Lichtausbeute des Lasers erhöht, da mit N oder Bi isoelektronisch dotiertes GaP überwiegend strahlende Rekombination verursacht.Advantage than light can be generated with higher photon energy. It also increases the light output of the laser, since GaP is isoelectronically doped with N or Bi, predominantly radiative recombination caused.

Bei einer gemäß der Figur in Flußrichtung zu betreibenden Laserdiode aus z. B. (Ga_1-1AIJP hat die p-leitende Schicht 1 z. B. eine Zn-Dotierung von 10¹⁸ bis 10¹⁹ Atome/cm³ sowie die η-leitende Schicht 3 z. B. eine Te-Dotierung von 10¹⁷ bis Iu¹⁸ Atome/cm' 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 μΐη 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 Atome/cm' bis etwa 1 ■ 10" Atome/cm'. Die Dicke dieser Schicht liegt zwischen 0,1 μπι und etwa 3 μπι und 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 erzwun gen. 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 _1-1 AIJP, the p-conductive layer 1 has e.g. a Zn doping of 10 ¹⁸ to 10 ¹⁹ atoms / cm ³ and the η-conductive layer 3 e.g. a Te doping of 10 ¹⁷ to Iu ¹⁸ atoms / cm 'in the same base material. The thickness of these layers is not critical from an electrical point of view, but should not be too large for thermal reasons and should be up to about 10 μm. Between the two layers 1, 3 there is one Layer 2 made of GaP which is doped with isoelectronic trapping centers, for example with N or Bi. The electrons and holes from the p-conducting layer 1 or the n-conducting layer 3 are injected into this layer 3. The doping concentration the layer 2 of N or Bi atoms is about 5 · 10 ¹⁵ atoms / cm 'to about 1 · 10 "atoms / cm'. The thickness of this layer is between 0.1 μm and about 3 μm and optimally around 0.5 μΐη. The Fabry-Perot resonator of this laser diode is made from reflective, mutually parallel and se Areas 6, 7 oriented perpendicular to layers 1 to 3 are formed. 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, 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 insofar as 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_1-1P₁ als Wirtskristall zu nehmen und Schicht 2 aus GaAs_1-1P_x. Die Änderung der Wellenlänge läßt sich auch durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse eines Mischkristalles in den verschiedenen Schichten erreichen, was zu einer ^hpsonders günstigen Anpassung der Gitterkonstanten in den HeteroÜbergängen führt. So liefert z. B. eine Anordnung mit einem Wirtsgitter aus Ga_1-1AI₁P für die Schichten 1 und 3 und mit einem Wirtsgitter aus Ga_1-1AI₁P mit 0<z<jcSi für die Schicht 2 eine spektrale Verschiebung der Emissionslinie in Richtung zjm blauen Wellenlängenbereich. Bei analogem Aufbau der Schichten aus In^Ga₁ __XP 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. to take layers 1 and 3 of (GaAl) As _1-1 P ₁ as the host crystal and layer 2 of GaAs _1-1 P _x . The change in wavelength can also be due to different mixing ratios of a solid solution in the various layers reach, resulting in a favorable ^hp Sonder matching of the lattice constants in the heterojunctions. For example, B. an arrangement with a host lattice made of Ga _1-1 Al ₁ P for layers 1 and 3 and with a host lattice made of Ga _1-1 Al ₁ P with 0 <z <jcSi for layer 2 a spectral shift of the emission line in the direction zjm blue wavelength range. With an analogous structure of the layers of In ^ Ga ₁ _ _X 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

Patent claims:

1. Laser diode made from a crystal based on GaAs and / or GaP with at least one p-i-n junction with an intrinsic intermediate layer between a p- and an n-layer, wherein the intermediate layer is substantially poor in free charge carriers, and wherein Recombining free charge carriers in the region of the pn junction in a radiating manner, characterized in that the intermediate layer (2) consists of a material with indirect transitions which is doped with a substance which has isoelectric capture centers in the material of this intermediate layer (2) causes.

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

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 in 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 · ΙΟ "and 1 · 10 10 ^w atoms / cm ¹ .

7. Laser diode according to claim 1 to 6, characterized in that the outer crystal planes (6,7) of the body delimiting the diode at the same time as reflecting 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 n-doped layer (3) consist of Ga _{1 V} A1, .P.

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