DE102007031132B4

DE102007031132B4 - Defektbasierte Silizium-Laserstruktur

Info

Publication number: DE102007031132B4
Application number: DE102007031132A
Authority: DE
Inventors: Martin Prof. Dr. Kittler; Teimuraz Mchedlidze; Tzanimir Arguirov; Manfred Dr. Reiche
Original assignee: IHP GmbH
Current assignee: IHP GmbH
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2027-06-30
Also published as: WO2009003848A1; DE102007031132A1

Abstract

Halbleiterlaserdiode vom VCSEL-Typ mit
– einem Siliziumsubstrat,
– einer Laserkavität aus Silizium oder Silizium-Germanium, die sich von einer Haupt-Oberfläche des Siliziumsubstrats ausgehend ins Substratinnere hinein erstreckt, und als Resonator-Endflächen eine erste Spiegelschicht an der für die Lichtemission vorgesehenen Substratoberfläche und eine vergrabene zweite Spiegelschicht im Siliziumsubstrat aufweist;
– einem in der Laserkavität angeordneten Verstärkungsgebiet aus kristallinem Silizium oder Silizium-Germanium, welches strukturelle Defekte seines Kristallgitters und an diesen lokalisiert eine Vielzahl elektronischer Mehrniveau-Systeme enthält, die durch Ladungsträgerinjektion jeweils geeigneter Ladungsträgerdichte in das aktive Gebiet anregbar sind
– zur spontanen Emission von Licht und
– als Gesamtheit in einen zur optischen Verstärkung des Lichts durch stimulierte Emission geeigneten Besetzungsinversionszustand;
und mit
– lateral dem Verstärkungsgebiet an einander gegenüberliegenden Seiten benachbarten und entgegengesetzt leitfähigen Halbleitergebieten aus Silizium oder Silizium-Germanium, die für die Ladungsträgerinjektion in das Verstärkungsgebiet geeignet dotiert und mit elektrisch leitfähigen Kontakten zum Anlegen einer...

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterlaserdiode. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine silizium-basierte Halbleiterlaserdiode vom VCSEL (engl. Vertical Cavity Surface Emitting Laser)-Typ, also eine oberflächenemittierende Laserdiode mit vertikaler Laserkavität.
Aus der WO 2006/117389 A1 ist ein versetzungsbasierter Lichtemitter auf Siliziumbasis bekannt. Bei diesen Lichtemitter wird die Lichtemission von bestimmten Emissionen der bekannten Silizium-D-Lumineszenzbande hervorgerufen. Lumineszenz mit Lichtwellenlängen im Bereich von 1,3 Mikrometern oder 1,55 Mikrometern kann durch gezielte Einstellung von Dreh- und Kippwinkel der Gitterstrukturen zweier aneinander angrenzender Siliziumschichten befördert werden. Die D-Lumineszenzbande (auch als D-Band-Lumineszenz bezeichnet) wird danach von elektronischen Mehrniveau-Systemen hervorgerufen, die im Bereich eines Versetzungsnetzwerkes an der Grenzfläche zwischen den beiden Siliziumschichten stark lokalisiert sind, vgl. T. Sekiguchi, S. Ito, A. Kanai, „Cathodoluminescence study on the tilt and twist boundaries in bonded silicon wafers”, Materials Science and Engeneering B 91–92 (2002), Seiten 244–247.
In der WO 2006/117389 A1 ist angegeben, dass der dort beschriebene Lichtemitter auch als Laserdiode ausgebildet sein kann. Weiter ist beschrieben, dass ein Resonator entweder durch eine Verspiegelung der Substratkanten oder alternativ durch eine Verspiegelung der Substratoberflächen hergestellt werden kann. Letzteres entspricht einer VCSEL-Struktur. Aus der US 2007/0105251 A1 ist eine Halbleiterlaserdiode von VCSEL-Typ (vergleiche die dortige 6) bekannt, welche eine Laserkavität aus Silzium-Germanium auf einer Oberseite eines Siliziumsubstrats aufweist. Dabei ist ein unterer Bragg-Reflektor, welcher aus λ/4 SiO₂/Si-Schichten besteht, in einer geätzten Vertiefung auf der Rückseite des Wafers ausgebildet.
Die US 2004/0188669 A1 zeigt eine VCSEL-Laserdiode (vergleiche die dortige 9), welche auf einem Silizium-Substrat aufgebracht ist. Die VCSEL-Laserdiode verwendet Übergitter als Verstärkungsmedium, welches zwischen einem λ/4-Bragg-Spiegel mit hoher Reflektivität und einem auskoppelnden λ/4-Bragg-Reflektor ausgebildet ist. Die Ausbildung des Übergitters erfolgt dabei unter Verwendung von Seltenerdmetallen. Die Auskopplung des Lichts kann durch eine geeignete Strukturierung der Rückseite unterstützt werden.
Aus der DE 10 2004 024 997 B4 ist eine lichtemittierende Halbleiterdiode mit einer ersten siliziumhaltigen oder Silizium-Halbleiterschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer angrenzenden zweiten siliziumhaltigen oder Silizium-Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps und mit einer dritten siliziumhaltigen oder Silizium-Halbleiterschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps bekannt, bei der die zweite Halbleiterschicht eine derart geringe Defektdichte aufweist, dass die Zeitkonstante nicht strahlender Shockley-Read-Hall-Rekombination 10 Mikrosekunden oder mehr beträgt. Zudem weisen die zweite und die dritte Halbleiterschicht der vorgestellten Halbleiterdiode Konzentrationsprofile auf, welche einen unsymmetrischen pn-Übergang derart entstehen lassen, dass bei angelegter Betriebsspannung eine stärkere Injektion von Minoritätsladungsträgern von der dritten in die zweite Halbleiterschicht stattfindet als in umgekehrter Richtung. Zudem werden die Konzentrationsprofile oder Materialzusammensetzungen der ersten und zweiten Halbleiterschicht derart gewählt, dass eine Bewegung von Minoritätsladungsträgern von der zweiten in die erste Halbleiterschicht erschwert oder verhindert wird. Durch den vorgeschlagenen Aufbau wird eine hohe Überschuss-Ladungsträgerkonzentration in der zweiten Halbleiterschicht während des Betriebszustands realisiert.
Das Dokument „Electronics Letters” (2004), Vol. 40, No. 14, „Silicon-based electically driven microcavity-LED”, J. Potfajova et al., zeigt eine Silizium-basierte Leuchtdiode, welche auf einem Silizium-Substrat ausgebildet ist und eine CoSi₂-Schicht als unteren Spiegel, eine pn- Diode als aktive Schicht und einen oberen Bragg-Spiegel aufweist, welcher aus 2,5 Paaren Si/SiO₂-Schichten besteht. Die elektrische Charakteristik eines solchen Bauelements ist nicht mehr diodenartig, sondern fast ohmsch.
Es wäre wünschenswert, die aus dem Stand der Technik bekannten Laserstrukturen hinsichtlich der Intensität ihre Lichtemission zu verbessern.
Das der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende technische Problem ist es, eine Silizium-Halbleiterlaserdiode auf mit durch Defekte hervorgerufener Lichtemission anzugeben, die eine erhöhte Lichtemission aufweist.
Das technische Problem wird durch eine Halbleiterlaserdiode gemäß Anspruch 1 gelöst. Genauer gesagt handelt es sich um eine Halbleiterlaserdiode vom VCSEL-Typ mit

– einem Siliziumsubstrat,
– einer Laserkavität aus Silizium oder Silizium-Germanium, die sich von einer Haupt-Oberfläche des Siliziumsubstrats ausgehend ins Substratinnere hinein erstreckt und als Resonator-Endflächen eine erste Spiegelschicht an der für die Lichtemission vorgesehenen Substratoberfläche und eine vergrabene zweite Spiegelschicht im Siliziumsubstrat aufweist;
– einem in der Laserkavität angeordneten Verstärkungsgebiet aus kristallinem Silizium oder Silizium-Germanium, welches strukturelle Defekte seines Kristallgitters und an diesen lokalisiert eine Vielzahl elektronischer Mehrniveau-Systeme enthält, die durch Ladungsträgerinjektion jeweils geeigneter Ladungsträgerdichte in das aktive Gebiet anregbar sind
– zur spontanen Emission von Licht und
– als Gesamtheit in einen zur optischen Verstärkung des Lichts durch stimulierte Emission geeigneten Besetzungsinversionszustand; und mit
– lateral dem Verstärkungsgebiet an einander gegenüberliegenden Seiten benachbarten und entgegengesetzt leitfähigen Halbleitergebieten aus Silizium oder Silizium-Germanium, die für die Ladungsträgerinjektion in das Verstärkungsgebiet geeignet dotiert und mit elektrisch leitfähigen Kontakten zum Anlegen einer für die Ladungsträgerinjektion geeigneten Betriebsspannung versehen sind.

Mit der erfindungsgemäßen Halbleiterlaserdiode gelingt es, defekt basierte Lumineszenzen des Silizium oder Silizium-Germanium zur Bildung eines Halbleiterlasers zu stimulierter Emission mit größerer Lichtintensität auszunutzen. Hierzu tragen im Zusammenwirken einerseits eine durch die Laserstruktur bewirkte laterale Ladungsträgerinjektion in das Verstärkungsgebiet im Betrieb der Diode und andererseits die in das Substrat eingebettete zweite Spiegelschicht bei.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Halbleiterlaserdiode beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale der Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Halbleiterlaserdiode der Erfindung zu bilden, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Alternativen beschrieben.
Die für die optische Verstärkung des Lichts im Verstärkungsgebiet der Halbleiterlaserdiode genutzten strukturellen Defekte können in alternativen Ausführungsbeispielen unterschiedlicher Natur sein. In einer Ausführungsform handelt es sich um Versetzungen im Silizium-Kristallgitter. In einer anderen, alternativen Ausführungsform handelt es sich bei den strukturellen Defekten um sogenannte stabförmige Defekte (englisch: Rod Like Defects). Dieser Defekttyp ist dafür bekannt, strahlende Übergänge zwischen elektronischen Zuständen aufzuweisen, die bei Raumtemperatur zu einer Lumineszenz im Bereich von etwa 0,75 bis 0,9 eV führen, mit einem Maximum bei 0,85 eV.
In einer anderen alternativen Ausführungsform der Halbleiterlaserdiode sind die strukturellen Defekte, die in Wechselwirkung mit Sauerstoff-Präzipitaten stehen. Auch Sauerstoffpräzipitate in Silizium führen zu einer Lichtemission, die sich in einer Emissionsbande bemerkbar macht, die bei einer Temperatur von 80 K ein Maximum bei 0,8 eV hat.
In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel sind die strukturellen Defekte die für eine der bekannten D-Bandemissionen im Silizium verantwortlichen strukturellen Defekte. Über die genau Natur dieser Defekte wird in der Fachwelt derzeit noch diskutiert. Die D-Band Lumineszenz zeigt insbesondere schmale und Lichtintensive Lumineszenzpeaks, die mit D1 bis D4 bezeichnet sind und jeweils auch allein oder in Gruppierungen mit jeweils unterschiedlichen Intensitäten auftreten können. Details hierzu sind in der WO 2006/117 389 A1 beschrieben. Es hat sich gezeigt, dass mit der erfindungsgemäßen Laserstruktur die genannten Defektstrukturen zu stimulierter Emission angeregt werden können, womit eine Laseraktivität im Spektralbereich erzielt wird, der für optoelektronische Anwendungen besonders interessant ist. Denn in den Spektralbereichen bei 1,3 und 1,55 Mikrometern Lichtwellenlänge weisen optische Fasern bekanntlich ein Minimum ihrer Dämpfung auf, sodass eine Lichtübertragung über weite Strecken möglich ist. Bislang sind jedoch noch keine in die hochentwickelte Siliziumtechnologie integrierbaren Halbleiterlaser zu Marktreife gelangt.
In einem Ausführungsbeispiel hat das Verstärkungsgebiet der Halbleiterlaserdiode die Form eines Zylinders. Die beiden entgegengesetzt leitfähigen Halbleitergebiete werden folgender Maßen realisiert: Ein erstes Halbleitergebiet dieser entgegengesetzt leitfähigen Halbleitergebiete ist ebenfalls zylinderförmig, jedoch mit geringerem Radius als das Verstärkungsgebiet. Dieses zylinderförmige erste Halbleitergebiet ist im Zylinder des Verstärkungsgebiets angeordnet. Es erstreckt sich vom oberflächenseitigem Mittelpunkt des Verstärkungsgebiets aus in Rich tung des Substratinneren. Die Erstreckung reicht zumindest entlang eines Abschnitts der Mittelachse des vom Verstärkungsgebiet gebildeten Zylinders.
Die Spiegelschichten können entweder als Bragg-Reflektorstruktur ausgebildet sein. Alternativ kann die erste oder zweite Spiegelschicht auch eine Sauerstoff-Präzipitate enthaltene Siliziumschicht sein.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Siliziumsubstrat zur Erhöhung des Ladungsträger-Confinements, also zur Reduzierung des Bewegungsspielraumes der Ladungsträger auf einen möglichst auf das Verstärkungsgebiet beschränkten Bereich, als Silizium-auf-Isolator-Substrat (Silicon an Insolator, SOI) ausgebildet. Das SOI-Substrat hat zur Oberfläche hin eine das Verstärkungsgebiet enthaltende Siliziumschicht und zum Substratinneren an das Verstärkungsgebiet angrenzend eine vergrabene Isolatorschicht. Die vergrabene zweite Spiegelschicht ist bei diesem Ausführungsbeispiel in einer zum Substratinneren an die Isolatorschicht angrenzenden Siliziumschicht angeordnet.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Halbleiterlaserdiode sind auch in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der Halbleiterlaserdiode anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 Eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Laserdiode gemäß der Erfindung;
2 Eine schematische Draufsicht der Laserdiode der 1;
3 Eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laserdiode;
4 Eine schematische Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laserdiode.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Laserdiode 100. Die Laserdiode 100 ist in 1 in einem Ausschnitt dargestellt, der nicht die gesamte Breite und Tiefe des Bauelements erfasst.
Die Laserdiode 100 hat ein Siliziumsubstrat 102, welches nach einem der in der Halbleitertechnik üblichen Herstellungsverfahren für ein kristallines (bulk) Silizium hergestellt ist. Durch nachträgliche Bearbeitung des Substrats ist in einem Verstärkungsgebiet 104 ein Volumen mit Versetzungen, stabartigen Defekten, Sauerstoff-Präzipitaten o. ä. entstanden. Die Defekte können mit an sich bekannten Techniken wie Ionen-Implantation und/oder thermische Behandlung gezielt lokal erzeugt werden.
Das Verstärkungsgebiet 104 befindet sich in vertikaler Richtung betrachtet, die in 1 als z-Richtung dargestellt ist, in einer Laserkavität 106, die durch zwei Spiegelschichten 108 und 110 begrenzt ist. Die Spiegelschicht 108 ist auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 102 ausgebildet. Die Spiegelschicht 110 ist in das Substrat mit Abstand zum Verstärkungsgebiet eingebetet.
Die Ausdehnung der Laserkavität 106 in der vertikalen Richtung ist entsprechend einer gewünschten Emissionswellenlänge des zu imitierenden Laserlichts gewählt. Eine hohe Effizienz der Laserdiode wird erreicht, wenn die Ausdehnung der Laserkavität in für eine Resonanzüberhöhung im Spektralbereich der maximalen Verstärkung des Verstärkungsgebiets 104 sorgt. Dies kann je nach verwendetem Verstärkungsmechanismus beim Entwurf der Laserdiode entsprechend berücksichtigt werden.
Bei den Spiegelschichten 108 und 110 handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um Bragg-Reflektoren.
Das p-leitfähige Verstärkungsgebiet ist in lateraler Richtung, die in 1 auch als x-Richtung bezeichnet ist, zwischen einem n-leitfähigen Bereich 112 und einem p-leitfähigen Bereich 114 angeordnet. Das Verstärkungsgebiet 104 ist annähernd zylinderförmig. In seinem Zentrum erstreckt sich entlang der Zylinderachse das ebenfalls zylinderförmige n-leitfähige Gebiet 112, dessen Tiefenerstreckung und Radius jedoch geringer sind, als die des Verstärkungsgebiets 104. Das Verstärkungsgebiet 104 ist in lateraler Richtung ringförmig vom p-leitfähigem Substratbereich 114 umgeben. Auch das zwischen dem Verstärkungsgebiet 104 und der vergrabenen Spiegelschicht 110 angeordnete Substratgebiet 116, welches einen Teil der Laserkavität 106 bildet, ist p-dotiert.
Das n-leitfähige Gebiet 112 ist mit einem Metallkontakt 118 versehen, der über eine Zuleitung 120 mit einer Betriebsspannung versorgt werden kann. Auch das p-leitfähige Gebiet 114, 116 ist mit Hilfe einer ringförmigen Kontaktstruktur 122 kontaktiert, die mit Hilfe einer Zuleitung 124 mit Spannung versorgt werden kann.
Die Struktur der Kontakte ist in der in 2 dargestellten Draufsicht deutlich erkennbar. Ein Isolatorgebiet 126 trennt den Kontakt 122 von der Zuleitung 120. Die Isolatorschicht 126 erstreckt sich, wie in der Draufsicht der 2 erkennbar ist, auch außerhalb der ringförmigen Kontaktstruktur auf der Oberfläche der Halbleiterlaserdiode 100.
Die 3 und 4 zeigen alternative Ausführungsbeispiele von Halbleiterlaserdioden, die sich von der Halbleiterlaserdiode 100 der 1 und 2 darin unterscheiden, dass als Substrat ein SOI-Substrat verwendet wird. In den 3 und 4 werden Bezugszeichen verwendet, die denen der 1 entsprechen. Lediglich von dem Ausführungsbeispiel der 1 abweichende Strukturelemente werden mit neuen Bezugszeichen versehen. Abgewandelte, jedoch in ihrer Funktion betreffenden Elementen der Laserdiode der 1 entsprechende Strukturelemente werden durch einen Hochstrich gekennzeichnet.
Die Halbleiterlaserdiode 300 der 3 unterscheidet sich von der Halbleiterlaserdiode 100 darin, dass sich in einem Tiefenbereich, der an die Unterkante des Verstärkungsgebiets 104 anschließt, eine vergrabene Oxidschicht 130 angeordnet ist. Zwischen der Unterkante der vergrabenen Oxidschicht 130 und der ver grabenen Spiegelschicht 110 befindet sich der in seiner Dicke entsprechend reduzierte p-leitfähige Siliziumbereich 116.
Die Laserdiode 400 der 4 unterscheidet sich von der Laserdiode 300 der 3 dadurch, dass die vergrabene Oxidschicht in der Tiefenrichtung unmittelbar an das n-leitfähige Gebiet 112 angrenzt.
Beide alternativen, auf einem SOI-Substrat basierenden Laserdioden 300 und 400 haben im Betrieb der Laserdiode den Vorteil, dass der Bewegungsspielraum der durch die angelegte Betriebsspannung in das Verstärkungsgebiet injizierten Ladungsträger in der Tiefenrichtung reduziert ist, sodass keine Ladungsträger in den Substratbereich 116 diffundieren können. Dies erhöht die Effizienz der Laserdiode im Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel der 1.
In einem weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird die vergrabene Oxidschicht (es kann auch ein anderes Isolatormaterial als Siliziumdioxid Verwendung finden) selbst als Spiegelschicht verwendet, so das auf die Ausbildung einer getrennten separaten Spiegelschicht im Substrat verzichtet werden kann. Dies vereinfacht die Struktur zusätzlich.

Claims

Halbleiterlaserdiode vom VCSEL-Typ mit – einem Siliziumsubstrat, – einer Laserkavität aus Silizium oder Silizium-Germanium, die sich von einer Haupt-Oberfläche des Siliziumsubstrats ausgehend ins Substratinnere hinein erstreckt, und als Resonator-Endflächen eine erste Spiegelschicht an der für die Lichtemission vorgesehenen Substratoberfläche und eine vergrabene zweite Spiegelschicht im Siliziumsubstrat aufweist; – einem in der Laserkavität angeordneten Verstärkungsgebiet aus kristallinem Silizium oder Silizium-Germanium, welches strukturelle Defekte seines Kristallgitters und an diesen lokalisiert eine Vielzahl elektronischer Mehrniveau-Systeme enthält, die durch Ladungsträgerinjektion jeweils geeigneter Ladungsträgerdichte in das aktive Gebiet anregbar sind – zur spontanen Emission von Licht und – als Gesamtheit in einen zur optischen Verstärkung des Lichts durch stimulierte Emission geeigneten Besetzungsinversionszustand; und mit – lateral dem Verstärkungsgebiet an einander gegenüberliegenden Seiten benachbarten und entgegengesetzt leitfähigen Halbleitergebieten aus Silizium oder Silizium-Germanium, die für die Ladungsträgerinjektion in das Verstärkungsgebiet geeignet dotiert und mit elektrisch leitfähigen Kontakten zum Anlegen einer für die Ladungsträgerinjektion geeigneten Betriebsspannung versehen sind.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, bei der die strukturellen Defekte Versetzungen sind.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, bei der die strukturellen Defekte stabförmige Defekte sind.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, bei der die strukturellen Defekte mit Sauerstoff-Präzipitaten gefüllt sind.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, bei der die strukturellen Defekte die für eine der bekannten D-Band-Emissionen im Silizium verantwortlichen strukturellen Defekte sind.
Halbleiterlaserdiode nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Verstärkungsgebiet die Form eines Zylinders hat, und bei der ein erstes Halbleitergebiet der entgegengesetzt leitfähigen Halbleitergebiete ebenfalls zylinderförmig ist, jedoch mit geringerem Radius als das Verstärkungsgebiet, und sich vom oberflächenseitigen Mittelpunkt des Verstärkungsgebietes aus in Richtung des Substratinneren, zumindest entlang eines Abschnitts der Mittelachse des vom Verstärkungsgebiets gebildeten Zylinders, erstreckt.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, bei der die erste oder zweite Spiegelschicht eine Bragg-Reflektorstruktur bildet.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, bei der die erste oder zweite Spiegelschicht eine Sauerstoff-Präzipitate enthaltende Siliziumschicht ist.
Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, bei der das Siliziumsubstrat ein Silizium-auf-Isolator-Substrat ist, das zur Substratoberfläche hin eine das Verstärkungsgebiet enthaltende Siliziumschicht und zum Substratinneren hin an das Verstärkungsgebiet angrenzend eine vergrabene Isolatorschicht enthält, wobei die vergrabene zweite Spiegelschicht in einer zum Substratinneren hin an die Isolatorschicht angrenzenden Siliziumschicht angeordnet ist.