DE69834415T2

DE69834415T2 - Lichtemittierendes galliumnitridhalbleiterelement mit einer aktiven schicht mit multiplexquantentrogstruktur und halbleiterlaserlichtquellenvorrichtung

Info

Publication number: DE69834415T2
Application number: DE69834415T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Tenri-shi OKUMURA
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-03-07
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2018-02-28
Also published as: WO1998039827A1; US20050211971A1; EP1022825A4; US7183569B2; EP1022825A1; US6956882B2; US20020085603A1; KR20000075981A; KR100447367B1; EP1022825B1; US6377597B1; DE69834415D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselemente wie Halbleiterlaser und Halbleiterdioden und ebenso Halbleiterlaserlichtquellenvorrichtungen und insbesondere betrifft diese ein Lichtemissionselement mit einer aktiven Schicht mit Multiplexquantentrogstruktur aus einem Nitridhalbleiter.
STAND DER TECHNIK
Als Halbleitermaterial für Halbleiterlaserelemente (LDs) und Lichtemissionsdiodenelemente (LEDs) mit Emissionswellenlängen innerhalb eines Wellenlängenbereiches von ultraviolett bis grün werden Galliumnitrid-Halbleiter (GaInAlN) verwendet. Eine blaue LD unter Verwendung eines Galliumnitrid-Halbleiters ist beispielsweise in Applied Physics Letters, Vol. 69, Nr. 10, S. 1477–1479, beschrieben und eine Querschnittsansicht der blauen LD ist in 19 gezeigt. 20 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Teils E von 19.
In 19 kennzeichnet das Bezugskennzeichen 101 ein Saphirsubstrat, 102 kennzeichnet eine GaN Pufferschicht, 103 kennzeichnet eine n-GaN Kontaktschicht, 104 kennzeichnet eine n-In_0.05Ga_0.95N Schicht, 105 kennzeichnet eine n-Al_0.05Ga_0.95N Claddingschicht, 106 kennzeichnet eine n-GaN Führungsschicht, 107 kennzeichnet eine aktive Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur bestehend aus In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschichten und In_0.05Ga_0.95N Barrierenschichten, 108 kennzeichnet eine p-Al_0.2G_0.8N Schicht, 109 kennzeichnet eine p-GaN Führungsschicht, 110 kennzeichnet eine p-Al_0.05Ga_0.95N Claddingschicht, 111 kennzeichnet eine p-GaN Kontaktschicht, 112 kennzeichnet eine Elektrode der p-Seite, 113 kennzeichnet eine Elektrode der n-Seite und 114 kennzeichnet eine isolierende Schicht aus SiO₂. Bei dieser Anordnung besteht, wie in 20 gezeigt ist, die aktive Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 107 aus fünf 3nm dicken In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschichten 117 und vier 6nm dicken In_0.05Ga_0.95N Barrierenschichten 118, insgesamt neun Schichten, wobei die Quantentrogschichten und die Barrierenschichten alternierend ausgebildet sind.
Ebenso ist in Applied Physics Letters, Vol. 69, Nr. 20, S. 3034–3036, eine Struktur beschrieben, bei der die aktive Schicht mit Quantentrogstruktur aus alternierend gestapelten drei 4 nm dicken Quantentrogschichten und zwei 8 nm dicken Barrierenschichten aufgebaut ist, d. h. insgesamt fünf Schichten.
JP 8-316528 beschreibt ebenso eine blaue LD unter Verwendung eines Galliumnitrid-Halbleiters. Diese bekannte blaue LD nutzt ebenso eine aktive Schicht mit einer Multi-Quantentrogstruktur mit fünf oder mehr Quantentrogschichten wie in dem in 19 und 20 gezeigten Fall.
Mittlerweile wurde eine blaue LED unter Verwendung eines Galliumnitrid-Halbleiters beispielsweise in der vorhergehend erwähnten JP 8-316528 beschrieben und eine Querschnittsansicht der blauen LED ist in 21 gezeigt. In 21 kennzeichnet das Bezugszeichen 121 ein Saphirsubstrat, 122 kennzeichnet eine GaN Pufferschicht, 123 kennzeichnet eine n-GaN Kontaktschicht, 124 kennzeichnet eine zweite Claddingschicht aus n-Al_0.3Ga_0.7N, 125 kennzeichnet eine erste Claddingschicht aus n-In_0.01Ga_0.99N. 126 kennzeichnet eine 3 nm dicke aktive Schicht mit einem einzelnen In_0.05Ga_0.95N Quantentrog, 127 kennzeichnet eine erste Claddingschicht aus p-In_0.01Ga_0.99N, 128 kennzeichnet eine zweite Claddingschicht aus p-Al_0.3Ga_0.7N, 129 kennzeichnet eine p-GaN Kontaktschicht, 130 kennzeichnet eine Elektrode der p-Seite und 131 kennzeichnet eine Elektrode der n-Seite. Demnach wurde in blauen LEDs unter Verwendung von Galliumnitrid-Halbleitern eine aktive Schicht mit lediglich einer Quantentrogstruktur verwendet.
Die bekannten oben beschriebenen blauen LDs und die blaue LED weisen jedoch die folgenden Probleme auf.
Bezogen auf die blauen LDs ist der Wert des Oszillationsschwellstroms 100 mA groß oder größer und muss demnach erheblich reduziert werden, um für die Informationsverarbeitung für optische Platten oder dergleichen praktisch nutzbar zu sein. Falls die LD für optische Platten verwendet wird, ist es zur Verhinderung von Datenlesefehlern aufgrund von Rauschen während dem Lesen von Daten erforderlich, einen Hochfrequenzstrom von ungefähr 300 MHz Frequenz in die LD zu injizieren und eine optische Ausgangsleistung mit derselben Frequenz zu modulieren.
Bei bekannten blauen LDs ist die optische Ausgangsleistung jedoch nicht moduliert, selbst falls ein Hochfrequenzstrom injiziert wird, was ein Problem hinsichtlich Datenlesefehlern verursacht.
In Bezug auf blaue LEDs, welche tatsächlich praktisch genutzt werden, ist es im Hinblick auf eine Verwendung von blauen LEDs für ein breiteres Spektrum von Anwendungen wie etwa großen farbigen Displays mit heller Darstellung selbst bei breiten Sichtwinkeln wünschenswert, LEDs mit noch höherer Helligkeit durch Verbessern der optischen Ausgangsleistung zu ermöglichen.
Darüber hinaus weisen bekannte Galliumnitrid-LEDs ein dahingehendes Problem auf, dass mit zunehmendem Injektionsstrom der Spitzenwert der Emissionswellenlänge erheblich variiert. Steigt beispielsweise in einer blauen Galliumnitrid-LED der Vorwärtsstrom von 0.1 mA auf 20 mA an, so verschiebt sich der Spitzenwert der Emissionswellenlänge um bis zu 7 nm. Dies macht sich insbesondere in LED-Elementen mit großer Emissionswellenlänge bemerkbar; beispielsweise verschiebt sich der Spitzenwert der Emissionswellenlänge einer grünen Galliumnitrid-LED um bis zu 20 nm. Wird ein derartiges Element in einem Farbdisplay verwendet, würde dies zu dem Problem führen, dass die Farben von Bildern abhängig von der Helligkeit der Bilder aufgrund der Verschiebung der Spitzenwellenlänge variieren.
EP-A-O 716 457 offenbart ein Halbleiterlichtemissionselement aus Nitrid, bei dem das aktive Gebiet aus drei Trogschichten und zwei Barrierenschichten besteht. Jede Barrierenschicht weist eine Dicke von 5 nm auf.
JP-A-06 268 257 offenbart ein Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement, bei dem das aktive Gebiet aus drei Trogschichten und zwei Barrierenschichten besteht.
K. Itaya et al. offenbaren in "Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 35, Pt. 2, Nr. 10B, S. L1315-1317 (1996), ein Nitrid-Halbleiterlichtemissionselement mit einem aktiven Gebiet mit Multi-Quantentrögen einschließlich 25 Perioden einer MQW InGaN Struktur.
M. Asif Khan et al. offenbaren in "Materials Science and Engineering", Vol. B43, S. 265–268 (1997) ein Nitrid-Halbleiterlichtemissionselement mit einem aktiven Gebiet mit einer Multi-Quantentrogstruktur einschließlich 10 Perioden einer MQW GaN/InGaN Struktur.
Ein erster Aspekt der Erfindung gibt ein Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement an mit einem Substrat, einer aktiven Schicht aus einem wenigstens Indium und Gallium enthaltenden Nitridhalbleiter mit einer Quantentrogstruktur, sowie einer ersten Claddingschicht und einer zweiten Claddingschicht, zwischen die die aktive Schicht eingelegt ist; wobei die aktive Schicht zwei Quantentrogschichten und eine Barrierenschicht aufweist und die Barrierenschicht zwischen den Quantentrogschichten angeordnet ist; und wobei die Barrierenschicht eine Schichtdicke von 10 nm oder weniger aufweist; wobei die aktive Schicht eine gleichmäßige Verteilung von Elektronen und Löchern in jeder der Quantentrogschichten ermöglicht.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung gibt ein Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement an mit einem Substrat, einer aktiven Schicht mit einer Quantentrogstruktur aus einem wenigstens Indium und Gallium enthaltenden Nitridhalbleiter sowie einer ersten Claddingschicht und einer zweiten Claddingschicht, zwischen denen die aktive Schicht eingelegt ist; wobei das Element ein Laserelement ist; wobei die aktive Schicht aus zwei bis vier Quantentrogschichten und aus ein bis drei zwischen die Quantentrogschichten angeordneten Barrierenschichten besteht, und wobei die oder jede Barrierenschicht eine Schichtdicke von 4 nm oder weniger aufweist, wobei die aktive Schicht eine gleichmäßige Verteilung von Elektronen und Löchern in jeder der Quantentrogschichten ermöglicht; wobei die aktive Schicht einen Oszillator des Laserelements ausbildet; und wobei die eine der ersten und zweiten Claddingschichten, die am weitesten vom Substrat entfernt ist, eine p-Typ Claddingschicht ist, und die p-Typ Claddingschicht einen Kantenbereich sowie erste und zweite Bereiche konstanter Dicke aufweist, die an gegenüberliegenden lateralen Seiten des Kantenbereichs angeordnet sind.
Ein dritter Aspekt der Erfindung gibt ein Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement an mit einem Substrat, einer aktiven Schicht mit einer Quantentrogstruktur, die aus einem wenigstens Indium und Gallium enthaltenden Nitridhalbleiter besteht sowie einer n-Typ Claddingschicht und einer p-Typ Claddingschicht, zwischen denen die aktive Schicht eingelegt ist, wobei die aktive Schicht einen Oszillator des Halbleiterlaserelements darstellt und die p-Typ Claddingschicht, die die am weitesten vom Substrat entfernte Claddingschicht ist, einen Kantenbereich und erste und zweite Bereiche konstanter Dicke aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des Kan tenbereichs angeordnet sind; wobei das Element dadurch gekennzeichnet ist, dass die aktive Schicht aus zwei Quantentrogschichten und einer zwischen den Quantentrogschichten angeordneten Barrierenschicht besteht, wobei jede Quantentrogschicht eine Schichtdicke von 10 nm oder weniger aufweist, wobei die aktive Schicht eine gleichmäßige Verteilung von Elektronen und Löchern in jeder der Quantentrogschichten ermöglicht; und der Kantenbereich der p-Typ Claddingschicht eine Weite von der Grenze zwischen dem Kantenbereich und einem Bereich konstanter Dicke zur Grenze zwischen dem Kantenbereich und dem anderen Bereich konstanter Dicke aufweist, die zwischen ungefähr 1 μm bis 5 μm liegt.
In Anbetracht des obigen Sachverhaltes liegt eine wesentliche Aufgabe der Erfindung darin, die obigen Probleme der Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselemente zu lösen und ein Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement anzugeben, das es ermöglicht, eine Halbleiterlaserdiode mit einer zufriedenstellenden Laseroszillationscharakteristik als auch eine Lichtemissionsdiode mit hoher optischer Ausgangsleistung zu realisieren.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement anzugeben, das es ermöglicht, eine Lichtemissionsdiode zu realisieren, die keine Verschiebung der Spitzenwellenlänge aufgrund der Injektion eines elektrischen Stroms zeigt.
Ein Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement gemäß der Erfindung weist ein Halbleitersubstrat, eine aktive Schicht mit einer Quantentrogstruktur bestehend aus einem wenigstens Indium und Gallium enthaltenden Nitridhalbleiter und eine erste Claddingschicht und eine zweite Claddingschicht zum Einlegen der aktiven Schicht zwischen diesen Claddingschichten, auf, und die aktive Schicht besteht aus zwei Quantentrogschichten und einer zwischen die Quantentrogschichten eingefügten Barrierenschicht.
Wird dieses Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement als Halbleiterlaserelement verwendet, bildet die aktive Schicht eine Oszillationssektion des Halbleiterlaserelements. Wird darüber hinaus eine Ansteuerschaltung zur Injektion eines elektrischen Stroms in das Halbleiterlaserelement bereitgestellt, wird eine Halbleiterlaserlichtquellenvorrichtung realisiert. Wird das Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement zudem als Halbleiter lichtemissionsdiodenelement verwendet, bildet die aktive Schicht eine Lichtemissionssektion des Halbleiterlichtemissionsdiodenelements aus.
Beim Entdecken der obigen Erfindung untersuchte der Erfinder dieser Anmeldung detailliert die Ursachen der vorhergehenden Probleme bei bekannten Elementen. Hieraus resultierend ergab sich folgendes.
Zunächst sind im Hinblick auf blaue LDs bei dem für eine Quantentrogschicht zu verwenden InGaN Material sowohl Elektronen und Löcher mit großen effektiven Massen und vielzählige Kristalldefekte vorhanden, was die Beweglichkeit der Elektronen und Löcher erheblich mindert, so dass die Elektronen und Löcher nicht gleichförmig in all den Quantentrogschichten der aktiven Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur verteilt sind. Somit werden Elektronen lediglich in oder um zwei der Quantentrogschichten auf der n-Typ Seite der Claddingschicht bei Elektroneninjektion injiziert und Löcher werden lediglich in oder um zwei der Quantentrogschichten auf der p-Typ Seite der Claddingschicht bei Löcherinjektion injiziert. Somit wird die Lichtemissionseffizienz durch Rekombination von Elektronen und Löchern in der aktiven Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur mit fünf oder mehr Quantentrogschichten aufgrund eines kleinen Prozentanteils oder einer Rate mit der Elektronen und Löcher in derselben Quantentrogschicht vorhanden sind reduziert, was eine Erhöhung des Schwellstromwertes für die Laseroszillation verursacht.
Aufgrund der oben gezeigten geringen Beweglichkeit von Elektronen und Löchern wird die Bewegung von Elektronen und Löchern zwischen den Quantentrogschichten verlangsamt, so dass Elektronen und Löcher nicht neu in die Quantentrogschichten, aus denen Elektronen und Löcher bereits durch Rekombination verschwunden sind, injiziert werden können und die Elektronen und Löcher, welche bereits in die Quantentrogschichten nahe der Claddingschicht injiziert wurden, in denselben Quantentrogschichten verbleiben. Selbst falls der Injektionsstrom moduliert wird, werden die in den Quantentrogschichten vorliegenden Dichten von Elektronen und Löcher nicht moduliert. Dies ist der Grund, weshalb eine Injektion eines Hochfrequenzstroms zu keiner Modulation der optischen Ausgangsleistung führt.
In Anbetracht dieser Erkenntnis werden in der Ausführungsform der Erfindung zwei Quantentrogschichten in der aktiven Schicht aus einem wenigstens Indium und Gallium enthaltenden Nitridhalbleiter bereitgestellt, so dass Elektronen und Löcher gleichmäßig in all den Quantentrogschichten verteilt werden. Dadurch wird die Verbesserung der Emissionseffizienz erzielt und folglich ein geringerer Oszillationsschwellstromwert erreicht. Da zudem die Injektion von Elektronen und Löcher in die Quantentrogschichten, aus denen Elektronen und Löcher aufgrund deren Rekombination verschwinden, effizient vollzogen wird, werden die in den Quantentrogschichten vorliegenden Dichten von Elektronen und Löcher durch Injektion eines Hochfrequenzstromes erfolgreich moduliert und dadurch auch die optische Ausgabeleistung.
Um eine solche gleichmäßige Verteilung von Elektronen und Löchern in all den Quantentrogschichten zu erzielen, weist jede der Quantentrogschichten vorzugsweise eine Dicke von 10 nm oder weniger auf, da eine zu große Schichtdicke einer Quantentrogschicht einer gleichmäßigen Verteilung von Elektronen und Löchern entgegenwirkt.
Da eine zu große Schichtdicke der Barrierenschicht ebenso einer gleichmäßigen Verteilung von Elektronen und Löchern im Weg steht, weist die Barrierenschicht vorzugsweise eine Dicke von 10 nm oder weniger auf.
Im Hinblick auf blaue LEDs neigen in der Praxis verwendete Elemente dazu, dass die optische Ausgabeleistung mit zunehmender Injektion des Stromes sättigt, wie in 9 gezeigt ist. Bei bekannten blauen LEDs, welche lediglich eine aktive Quantentrogschicht aufweisen, sind sowohl injizierte Elektronen als auch Löcher in dieser einen Quantentrogschicht vorhanden, wobei sich jedoch mit zunehmender Vergrößerung der Injektionsmenge die Verteilung von injizierten Elektronen und Löchern innerhalb des Impulsraumes aufgrund der großen effektiven Massen von Elektronen und Löchern in dem die Quantentrogschicht ausbildenden InGaN verbreitert, was zu einer Erniedrigung der Emissionseffizienz führt. Werden deshalb zwei Quantentrogschichten in der aktiven Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur aus einem wenigstens Indium und Gallium enthaltenden Nitridhalbleiter wie in der Erfindung vorgesehen, so werden injizierte Elektronen und Löcher in die beiden Quantentrogschichten unterteilt, wodurch die pro Quantentrogschicht vorliegenden Dichten von Elektronen und Löchern reduziert werden. Dadurch wird die Verteilung von Elektronen und Löchern im Impulsraum verkleinert. Hieraus resultierend nimmt die Tendenz einer Sättigung der Charakteristik von Strom über optischer Ausgabeleistung ab und es kann ein Galliumnitrid LED Element mit hoher Helligkeit aufgrund einer verbesserten optischen Ausgabeleistung realisiert werden.
Zudem haben eine weitere Untersuchung und ein Experiment seitens des Erfinders dieser Anmeldung gezeigt, dass mit einer Barrierenschichtdicke von 4 nm oder geringer selbst im Falle, dass die Quantentrogschichten auf eine Anzahl von vier oder mehr erhöht werden, in sowohl LDs und LEDs Ergebnisse erzielt werden können, die den oben beschriebenen Ergebnissen ähneln. Die im Zusammenhang mit der vorhergehenden Veröffentlichung "Applied Physics Letters, Vol. 69, Nr. 20, S. 3034–3036" beschriebene aktive Schicht mit Quantentrogstruktur einer bekannten Vorrichtung weist drei Quantentrogschichten auf, jedoch überlappen die Wellenfunktionen von Elektronen und Löchern zwischen den Quantentrogschichten aufgrund der großen effektiven Massen von Elektronen und Löchern im InGaN Material als auch aufgrund der großen Barrierenschichtdicke von bis zu 8 nm nahezu nicht. Deshalb tritt nahezu keine Bewegung von Elektronen und Löchern zwischen den Quantentrogschichten auf, was eine erkennbarere ungleichmäßige Verteilung von Elektronen und Löchern verursacht. Jedoch wurde entdeckt, dass die Wellenfunktionen von Elektronen und Löchern selbst bei drei oder vier Quantentrogschichten zwischen den Quantentrogschichten durch Einstellen der Dicke der Barrierenschichten von 4 nm oder weniger überlappt werden können.
Es wurde ebenso festgestellt, dass ein Einstellen der Dicke der Barrierenschicht auf 4 nm oder weniger gleichzeitig das Problem des Verschiebens der Spitzenwellenlänge aufgrund der Strominjektion löst. Die Ursache einer solchen Wellenlängenverschiebung kann wie folgt beschrieben werden. In dem InGaN Material ist der Elektron-Loch-Plasmaeffekt aufgrund der großen effektiven Massen von Elektronen und Löchern erkennbar, so dass die Abschlüsse der Energiebänder durch diesen Effekt erheblich deformiert werden, was zu einer vergrößerten Verschiebung der Spitzenemissionswellenlänge aufgrund der Strominjektion führt. Hieraus kann geschlossen werden, dass als Ergebnis eines unterdrückten Elektron-Loch-Plasmaeffektes durch Reduzierung der Dichten von Elektronen und Löchern pro Quantentrogschicht auf solche Weise, dass die injizierten Elektronen und Löcher gleichmäßig in den einzelnen Quantentrogschichten wie in der Erfindung verteilt werden, ebenso die Wellenlängenverschiebung aufgrund der Strominjektion reduziert wird.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden. aus der detaillierten Beschreibung mehrerer Ausführungsformen ersichtlich, welche unten stehend mit Bezug zu den begleitenden Abbildungen beschrieben sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlaserelements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht von Teil A in 1;
3 zeigt ein Diagramm zur Abhängigkeit des Schwellstroms von der Anzahl von Quantentrogschichten als auch die Abhängigkeit einer maximalen Modulationsfrequenz eines zur Modulation der optischen Ausgabeleistung geeigneten Injektionsstromes von der Anzahl von Quantentrogschichten in der ersten Ausführungsform;
4 zeigt ein Diagramm zur Abhängigkeit einer maximalen Frequenz eines zur Modulation der optischen Ausgabeleistung geeigneten Injektionsstromes von der Dicke der Barrierenschicht in der ersten Ausführungsform;
5 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Halbleiterlaserelements und eine Ansteuerschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
6 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Halbleiterlaserelements und eine Ansteuerschaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
7 zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlichtemissionsdiodenelements gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
8 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht von Teil B in 7;
9 zeigt ein Diagramm zur Charakteristik von Strom und optischer Ausgabeleistung des Halbleiterlichtemissionsdiodenelements entsprechend der vierten Ausführungsform und des bekannten Halbleiterlichtemissionsdiodenelements;
10 zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlaserelements gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
11 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht von Teil C von 10;
12 zeigt ein Diagramm zur Abhängigkeit des Schwellstroms von der Anzahl der Quantentrogschichten als auch zur Abhängigkeit einer maximalen Modulationsfrequenz eines zur Modulation der optischen Ausgabeleistung geeigneten Injektionsstroms von der Anzahl der Quantentrogschichten in der fünften Ausführungsform;
13 zeigt ein Diagramm zur Abhängigkeit einer maximalen Frequenz eines zur Modulation der optischen Ausgabeleistung geeigneten Injek tionsstroms von der Dicke der Barrierenschicht in Galliumnitrid-Halbleiterlaserelementen mit jeweils zwei, drei und vier Quantentrogschichten;
14 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Halbleiterlaserelements und einer Ansteuerschaltung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
15 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Halbleiterlasterelements und einer Ansteuerschaltung gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung;
16 zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterlichtemissionsdiodenelements gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung;
17 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht von Teil D in 16;
18 zeigt ein Diagramm der Charakteristik von Strom über optischer Ausgabeleistung des Halbleiterlichtemissionsdiodenelements entsprechend der achten Ausführungsform und des bekannten Halbleiterlichtemissionsdiodenelements;
19 zeigt eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Struktur einer bekannten blauen LD;
20 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht von Teil E in 19; und
21 zeigt eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Struktur einer bekannten blauen LED.
BESTE FORM ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug zu den begleitenden Abbildungen beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Galliumnitrid-Halbleiterlaserelements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und 2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht des Teils A aus 1. In dieser Ausführungsform besteht eine aktive Schicht mit einer Quantentrogstruktur aus zwei Quantentrogschichten und einer dazwischen liegenden Barrierenschicht.
In 1 und 2 kennzeichnet das Bezugszeichen 1 ein Saphirsubstrat mit c-Fläche, 2 kennzeichnet eine GaN Pufferschicht, 3 kennzeichnet eine n-GaN Kontaktschicht, 4 kennzeichnet eine n-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht, 5 kennzeichnet eine n-GaN Führungsschicht, 6 kennzeichnet eine aktive Schicht mit einer Multi-Quantentrogstruktur bestehend aus zwei In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschichten 14 und einer In_0.05Ga_0.95N Barrierenschicht 15, 7 kennzeichnet eine Al_0.2Ga_0.8N Verdampfungsverhinderungsschicht, 8 kennzeichnet eine p-GaN Führungsschicht, 9 kennzeichnet eine p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht, 10 kennzeichnet eine p-GaN Kontaktschicht, 11 kennzeichnet eine Elektrode der p-Seite, 12 kennzeichnet eine Elektrode der n-Seite und 13 kennzeichnet eine Isolationsschicht aus SiO₂. In 1 ist die aktive Schicht mit einer Multi-Quantentrogstruktur 6 aus einer Mehrzahl von Schichten der Einfachheit halber so dargestellt, als ob diese eine einzelne Schicht darstellt. Dies trifft ebenso auf die 7, 10 und 16 zu, die Querschnittsansichten weiterer Ausführungsformen zeigen.
Die Oberseite des Saphirsubstrats 1 in dieser Ausführungsform kann alternativ eine weitere Ausrichtung wie eine a-Fläche, r-Fläche und m-Fläche aufweisen. Ebenso kann nicht nur das Saphirsubstrat, sondern auch ein SiC-Substrat, ein Spinel-Substrat, ein MgO-Substrat, ein Si-Substrat oder ein GaAs-Substrat verwendet werden. Insbesondere weist das SiC-Substrat, das im Vergleich zum Saphirsubstrat einfacher zerteilt werden kann, den Vorteil auf, dass eine Stirnfläche eines Laserresonators einfach durch Zerteilen ausgebildet werden kann. Die Pufferschicht 2 ist nicht auf GaN begrenzt, sondern kann durch ein weiteres Material wie AlN oder durch einen ternären Mischkristall AlGaN ersetzt werden, solange das Material ein epitaktisches Wachstum eines Galliumnitrid-Halbleiters darauf ermöglicht.
Die n-Typ Claddingschicht 4 und die p-Typ Claddingschicht 9 können ebenso aus einem ternären AlGaN Mischkristall mit einem von n-Al_0.1Ga_0.9N verschiedenen Al Gehalt bestehen. In diesem Falle führt eine Vergrößerung des Al Gehalts zu einer Vergrößerung der Energielückendifferenz und der Brechnungsindexdifferenz zwischen der aktiven Schicht und den Claddingschichten, so dass Ladungsträger und Licht effektiv in der aktiven Schicht eingeengt werden können, wodurch es möglich wird, den Oszillationsschwellstrom weiter zu reduzieren und die Temperaturcharakteristik zu verbessern. Ebenso führt eine Verkleinerung des Al Gehaltes bei Aufrechterhaltung der Einengung von Ladungsträgern und Licht zu einer Vergrößerung der Beweglichkeit der Ladungsträger in den Claddingschichten, was den Vorteil mit sich bringt, dass der Widerstand des Halbleiterlaserelementes abnimmt. Zudem können alternativ hierzu diese Claddingschichten aus einem quaternären oder höheren Halbleitermischkristall mit weiteren darin enthaltenen Beimengungen gebildet sein und die n-Typ Claddingschicht 4 und die p-Typ Claddingschicht 9 können in ihrer Zusammensetzung des Mischkristalls verschieden voneinander sein.
Die Führungsschichten 5 und 8 sind nicht auf GaN begrenzt, und können aus einem weiteren Material wie InGaN, AlGaN oder weiteren ternären Mischkristallen oder InGaAlN oder weiteren quaternären Mischkristallen aufgebaut sein, solange das Material eine Energiebandlücke aufweist, die zwischen der Energiebandlücke der Quantentrogschichten der aktiven Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 6 und der Energiebandlücke der Claddingschichten 4, 9 liegt. Ebenso ist es nicht erforderlich, dass jede Führungsschicht im gesamten Bereich mit einem Donator oder einem Akzeptor dotiert ist, sondern diese kann auf einer zur aktiven Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 6 näherliegenden Seite teilweise undotiert sein und ebenso kann die gesamte Führungsschicht undotiert verbleiben. In diesem Falle wird die Menge der in den Führungsschichten vorhandenen Ladungsträger reduziert, so dass eine Lichtabsorption durch freie Ladungsträger abnimmt. Folglich lässt sich der Oszillationsschwellstrom in vorteilhafter Weise weiter reduzieren.
Für die beiden In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschichten 14 und die eine In_0.5Ga_0.95N Barrierenschicht 15, welche die aktive Schicht mit einer Quantentrogstruktur 6 darstellen, können die Zusammensetzungen entsprechend einer erforderlichen Laseroszillationswellenlänge eingestellt werden. Der In Gehalt der Quantentrogschichten 14 sollte für längere Oszillationswellenlängen vergrößert werden und der In Gehalt der Quantentrogschichten 14 sollte für kürzere Wellenlängen verkleinert werden. Zudem können die Quantentrogschichten 14 und die Barrierenschicht 15 ebenso aus einem quaternären oder höheren Halbleitermischkristall bestehend aus einem ternären InGaN Mischkristall zuzüglich weiterer Elemente wie Al als Beimengungen bestehen. Die Barrierenschicht 15 kann ebenso einfach aus GaN aufgebaut sein.
Nachfolgend wird das Verfahren zum Herstellen des obigen Galliumnitrid-Halbleiters mit Bezug zu 1 und 2 beschrieben. Obwohl MOCVD (metallorganische chemische Gasphasenabscheidung) der folgenden Beschreibung zugrundegelegt wird, ist es lediglich erforderlich, dass das Aufwachsverfahren im Stande ist, GaN epitaktisch aufzuwachsen und weitere Gasphasenaufwachsverfahren wie MBE (Molekularstrahlepitaxie) oder HDVPE (Hydridgasphasenepitaxie) können ebenso verwendet werden.
Zunächst wird auf ein Saphirsubstrat 1 mit der c-Fläche als Oberseite, das in einen Aufwachsofen plaziert ist, eine GaN Pufferschicht 2 bis 35 nm bei einer Aufwachstemperatur von 550°C unter Verwendung von Trimethylgallium (TMG) und Ammonium (NH₃) als Quellen aufgewachsen.
Nachfolgend wird eine 3 μm dicke Si-dotierte n-GaN Kontaktschicht 3 bei auf 1050°C angestiegener Aufwachstemperatur unter Verwendung von TMG und NH₃ als auch Silangas (SiH₄) als Quellmaterialien aufgewachsen. Nachfolgend wird den Quellmaterialien Trimethylaluminium (TMA) zugesetzt und eine Si-dotierte n-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 4 wird bei einer auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur mit einer Dicke von 0.7 μm aufgewachsen. Nachfolgend wird TMA den Quellmaterialien entzogen und bei einer auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur wird eine Si-dotierte n-GaN Führungsschicht 5 mit 0.05 μm aufgewachsen.
Nachfolgend wird die Aufwachstemperatur auf 750°C erniedrigt und unter Verwendung von TMG, NH₃ und Trimethylindium (TMI) als Quellmaterialien werden eine In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschicht 14 (mit einer Dicke von 5 nm), eine In_0.05Ga_0.95N Barrierenschicht 15 (mit einer Dicke von 5 nm), eine In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschicht 14 (mit einer Dicke von 5 nm) nacheinander zur Ausbildung einer aktiven Schicht mit einer Multi-Quantentrogstruktur 6 (mit einer Gesamtdicke von 15 nm) aufgewachsen. Nachfolgend wird mit TMG, TMA und NH₃ als Quellmaterialien und einer auf 750°C gehaltenen Aufwachstemperatur eine Al_0.2Ga_0.8N Verdampfungsverhinderungsschicht 7 mit einer Dicke von 10 nm aufgewachsen.
Nachfolgend wird mit einer erneut auf 1050°C erhöhten Aufwachstemperatur sowie mit TMG und NH₃ als auch Cyclopentadienyl-Magnesium (Cp₂Mg) als Quellmaterialien, eine Mg-dotierte p-GaN Führungsschicht 8 mit einer Dicke von 0.05 μm aufgewachsen. Nachfolgend wird TMA den Quellmaterialien zugesetzt und es wird bei einer auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur eine 0.7 μm Dicke Mg-dotierte p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 9 aufgewachsen. Dann wird TMA den Quellmaterialien entzogen und bei einer auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur eine Mg-dotierte p-GaN Kontaktschicht mit 0.2 μm Dicke aufgewachsen. Dadurch wird eine epitaktische Galliumnitrid-Scheibe vervollständigt.
Nach diesen Prozessschritten wird die Scheibe in Stickstoffatmosphäre bei 800°C ausgeheilt, so dass die mit Mg-dotierten p-Typ Schichten in ihrem Widerstand reduziert werden.
Nachfolgend wird unter Verwendung gewöhnlicher Fotolithographie und Nassätztechniken eine Ätzung ausgehend von der obersten Oberfläche der p-GaN Kontaktschicht 10 durchgeführt bis die n-GaN Kontaktschicht 3 freigelegt ist, um eine 200 μm breite Streifenform zu erzielen. Nachfolgend werden unter Verwendung von Fotolithographie und Trockenätztechniken, welche den vorigen Techniken ähneln, die p-GaN Kontaktschicht 10 und die p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 9 derart geätzt, dass die verbleibende p-GaN Kontaktschicht 10 eine Kantenstruktur mit einer 5 μm breiten Streifenform aufweist.
Nachfolgend wird eine 200 nm dicke Isolationsschicht aus SiO₂ 13 an den Seitenflächen der Kante R und der von der Kante R verschiedenen Oberfläche der p-Typ Schicht ausgebildet. Eine aus Nickel und Gold bestehende Elektrode der p-Seite 11 wird auf der Oberfläche dieser Isolationsschicht aus SiO₂ 13 und der p-GaN Kontaktschicht 10 ausgebildet und eine Elektrode der n-Seite 12 bestehend aus Titan und Aluminium wird auf der Oberfläche der durch Ätzen freigelegten n-GaN Kontaktschicht 3 ausgebildet. Dadurch wird eine Galliumnitrid-LD (Laserdiode)-Scheibe vervollständigt.
Nach diesen Prozessschritten wird die so erhaltene Scheibe in einer zum kantenförmigen Streifen vertikalen Richtung zerteilt, um dadurch eine Stirnfläche eines Laserresonators auszubilden und danach wird die Scheibe in einzelne Chips unterteilt. Dann wird jeder Chip auf einen Schaft montiert und die Elektroden werden mit Anschlussklemmen durch Drahtbonden verbunden. Dadurch wird ein Galliumnitrid LD-Halbleiterelement vervollständigt.
Bezüglich des auf diese Weise gefertigten blauen LD-Elements wurde bestätigt, dass eine Lasercharakteristik mit einer Oszillationswellenlänge von 430 nm und mit einem Oszillationsschwellstrom von 40 mA möglich sind und dass eine optische Ausgangsleistung durch Injektion eines Hochfrequenzstroms von 300 MHz bis maximal ungefähr 1 GHz ausreichend moduliert werden kann. Folglich wurde über das blaue LD-Element dieser Ausführungsform ein blaues LD-Element realisiert, das in der Lage ist, Datenlesefehler zu verhindern und sich dadurch für optische Platten eignet.
3 zeigt ein Diagramm zur Variation des Schwellstromwertes und der maximalen Modulationsfrequenz eines zur Modulation einer optischen Ausgabeleistung geeigneten Injektionsstroms bei Änderung der Anzahl der Quantentrogschichten von 1 bis auf 5 in Bezug auf Galliumnitrid-Halbleiterlaserelemente. Die Halbleiterlaser weisen denselben Aufbau wie das Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement der ersten Ausführungsform der Erfindung auf, abgesehen von der Anzahl der Quantentrogschichten als auch der Anzahl der Barrierenschichten, die von der Anzahl der Quantentrogschichten abhängen. Wie dieser Figur entnommen werden kann, betrifft es lediglich das Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, bei dem die Anzahl der Quantentrogschichten zwei entspricht, das einen geringen Oszillationsschwellstrom aufweist als auch eine durch die Injektion eines Hochfrequenzstroms im Bereich von 300 MHz bis ungefähr 1 GHz ausreichend modulierte optische Ausgabeleistung zeigt.
Die Quantentrogschichten 14 und die Barrierenschicht 15, welche die aktive Schicht mit einer Multi-Quantentrogstruktur 6 darstellen, wurden beide in dieser Ausführungsform mit einer Schichtdicke von 5 nm eingestellt. Jedoch sind diese Schichten nicht notwendigerweise gleich dick, sondern diese können auch voneinander verschiedene Dicken aufweisen. Sofern die Schichtdicke jeder der Quantentrogschichten 14 und der Barrierenschicht 15 für eine gleichmäßige Injektion von Elektronen und Löchern in die zwei Quantentrogschichten auf 10 nm oder kleiner eingestellt ist, lassen sich selbst mit anderen Schichtdicken im Vergleich zu den in dieser Ausführungsform verwendeten Dicke ähnliche Auswirkungen erzielen.
4 zeigt ein Diagramm der zur Modulation einer optischen Ausgabeleistung geeigneten maximalen Modulationsfrequenz eines Injektionsstroms bei Änderung der Schichtdicke der Barrierenschicht in einem Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement, bei dem die Anzahl der Quantentrogschichten zwei entspricht. Dieser Halbleiterlaser weist einen zum Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement der ersten Ausführungsform ähnlichen Aufbau auf, ausgenommen, dass sich diese in der Schichtdicke der Barrierenschicht unterscheiden. Aus dieser Abbildung ist zu erkennen, dass die optische Ausgabeleistung bei Einstellung der Schichtdicke der Barrierenschicht von 10 nm oder weniger durch die Injektion eines Hochfrequenzstroms ausreichend moduliert werden kann, selbst im Bereich von 300 MHz bis ungefähr maximal 1 GHz. Da dies ebenso auf die Quantentrogschichten zutrifft, wurde bestätigt, dass die optische Ausgabeleistung bei Einstellen der Schichtdicke jeder Quantentrogschicht auf 10 nm oder kleiner durch Injektion eines Hochfrequenzstroms im Bereich von 300 MHz bis maximal ungefähr 1 GHz ausreichend moduliert werden kann.
Zudem wurde die Al_0.2Ga_0.8N Verdampfungsverhinderungsschicht 7 derart ausgebildet, dass diese in dieser Ausführungsform in Kontakt mit der aktiven Schicht mit einer Multi-Quantentrogstruktur 6 ist, wobei diese Anordnung verhindern soll, dass die Quantentrogschichten 14 während dem Erhöhen der Aufwachstemperatur verdampfen. Deshalb kann die Verdampfungsverhinderungsschicht 7 aus weiteren Materialien aufgebaut sein, sofern diese Materialien die Quantentrogschichten 14 schützen und ternäre AlGaN Mischkristalle mit weiteren Al Zusammensetzungen als auch GaN können als Verdampfungsverhinderungsschicht 7 verwendet werden. Ebenso kann diese Verdampfungsverhinderungsschicht 7 mit Mg dotiert werden, so dass Löcher in vorteilhafter Weise leichter von der p-GaN Führungsschicht 8 oder der p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 9 injiziert werden können. Falls die Quantentrogschichten 14 zudem einen geringen In Gehalt aufweisen, ver dampfen diese Schichten 14 selbst ohne die Verdampfungsverhinderungsschicht 7 nicht und dadurch führt ein Weglassen der Verdampfungsverhinderungsschicht 7 zu keiner Beeinflussung der Charakteristik des Galliumnitrid-Halbleiterlaserelements dieser Ausführungsform.
Obwohl in dieser Ausführungsform eine kantenförmige Streifenstruktur zur Erzielung des Zusammenziehens oder Einengens des Injektionsstroms ausgebildet ist, ist es ebenso möglich weitere Stromverengungstechniken wie eine Elektrodenstreifenstruktur zu verwenden. Obwohl eine Laserresonator-Stirnfläche in dieser Ausführungsform durch Zerteilen ausgebildet ist, kann die Stirnfläche im Falle, dass das Saphirsubstrat zu hart ist um zerteilt zu werden, ebenso durch Trockenätzen ausgebildet werden.
Zudem wird in dieser Ausführungsform, in der Saphir als isolierendes Material als Substrat verwendet wird, eine Elektrode der n-Seite 12 auf der durch Ätzen freigelegten Oberseite der n-GaN Kontaktschicht 3 ausgebildet. Falls SiC, Si, GaAs oder dergleichen mit elektrischer n-Typ Leitfähigkeit als Substrat verwendet werden, kann die Elektrode der n-Seite 12 auf der Rückseite des Substrats ausgebildet werden. Darüber hinaus können die p-Typ Struktur und die n-Typ Struktur vertauscht werden.
(Zweite Ausführungsform)
5 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Halbleiterlaserelements mit einer Treiberschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Ein in 5 gezeigtes Halbleiterlaserelement 16 stellt ein Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement dar, das zwei Quantentrogschichten aufweist, die durch die erste Ausführungsform der Erfindung erhalten werden. Eine Hochfrequenz-Treiberschaltung 17 besteht aus gewöhnlichen Halbleiterkomponenten und dient der Modulation eines Injektionsstroms in das Halbleiterlaserelement 16 bei hoher Frequenz zur Modulation dessen optischer Ausgangsleistung. In dieser Ausführungsform wurde die Modulationsfrequenz des Injektionsstroms auf 300 MHz eingestellt. Das Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement dieser ersten Ausführungsform hat gezeigt, dass dessen optische Ausgangsleistung modulierbar ist, selbst falls eine maximale Injektionsstrommodulationsfrequenz von mehr als 1 GHz verwendet wird und die optische Ausgangsleistung wurde bei einer Frequenz von 300 MHz ausreichend moduliert. Bei Einsatz der gegenwärtigen Ausführungsform als Lichtquelle in einer optische Platte konnte die Laserlichtkohärenz aufgrund einer ausreichend modulierten optischen Ausgangsleistung des Halbleiterlasers erniedrigt werden, so dass Rauschen durch von der Plattenoberfläche zurückkehrendes Licht reduziert werden konnte. Somit wurde es möglich, Daten von der optischen Platte ohne Fehler auszulesen.
Die Modulationsfrequenz des Injektionsstroms wurde in dieser Ausführungsform auf 300 MHz eingestellt. Jedoch können andere Modulationsfrequenzen bis zu einer maximalen Frequenz von ungefähr 1 GHz zum Ansteuern des Nitrid-Halbleiterlasers verwendet werden, sofern die Modulationsfrequenz eine Verringerung des Rauschens durch von der Plattenoberfläche zurückkehrendes Laserlicht durch Verkleinerung der Kohärenz des Laserlichts ermöglicht.
(Dritte Ausführungsform)
6 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Halbleiterlaserelements mit einer Treiberschaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Für ein in 6 gezeigtes Halbleiterlaserelement 18 wird das Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement mit zwei Quantentrogschichten gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung verwendet, jedoch hinsichtlich der Streifenbreite w (siehe 1) bei der Ausbildung der Kantenstruktur als auch hinsichtlich der Tiefe beim Ätzen der p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 9 derart angepasst, dass das Halbleiterlaserelement 18 ein selbstoszillierender Halbleiterlaser ist, bei dem die optische Ausgangsleistung selbst bei Injektion eines nicht-modulierten konstanten Stromes moduliert wird. In diesem Beispiel wurde die Streifenbreite w auf 3 μm eingestellt, und die Schichtdicke d (siehe 1) der p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 9 als Rückstand des Ätzprozesses wurde auf 0.2 μm eingestellt. Die bei dem Ätzen zurückbleibende Streifenbreite und Schichtdicke sind nicht auf die konkreten Werte dieses Beispiels beschränkt und müssen lediglich in einen entsprechenden Bereich von 1 bis 5 μm und einen Bereich von 0.05 bis 0.5 μm fallen. Die Modulationsfrequenz der optischen Ausgabeleistung, d.h. Ausgangsleistung für das auf diese Weise gefertigte selbstoszillierende Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement betrug 800 MHz.
Aufgrund der Anordnung mit zwei Quantentrogschichten ist das Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement gemäß der dritten Ausführungsform hinsichtlich der Modulation der innerhalb der Quantentrogschichten vorhandenen Elektronen und Löchern empfindlich. Somit ist es einfach, einen selbstoszillierenden Halbleiterlaser herzustellen, bei dem eine optische Ausgabeleistung nicht nur durch Modulation der Dichten von Elektronen und Löchern durch entsprechende Modulation des Injektionsstroms moduliert wird, sondern ebenso durch Modulation der Dichten von Elektronen und Löchern selbst bei Injektion eines nicht-modulierten konstanten Stroms, so dass es möglich wird, die optische Ausgabeleistung bei höheren Frequenzen zu modulieren.
Eine Konstantstrom-Treiberschaltung 19 wird durch Verwenden herkömmlicher Halbleiterkomponenten implementiert und diese ist zur Injektion eines konstanten Stroms in den Halbleiterlaser vorgesehen. Bei Verwendung dieser Ausführungsform als Lichtquelle für eine optische Platte konnte die Laserlichtkohärenz mittels der ausreichend modulierten Ausgabeleistung des Halbleiterlasers derart erniedrigt werden, dass Rauschen aufgrund von der Plattenoberfläche zurückkehrenden Lichtes reduziert werden konnte. Dadurch wurde es möglicht, Daten von der optischen Platte ohne Fehler auszulesen.
Das in der dritten Ausführungsform verwendete Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement 18 ist ein selbstoszillierender Halbleiterlaser, der durch Abstimmen von sowohl der Streifenbreite w beim Ausbilden der Kantenstruktur und der Tiefe, bis zu der die p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 9 geätzt wird, erzielt wird. Alternativ hierzu kann der selbstoszillierende Laser durch Bereitstellen einer sättigbaren Absorberschicht (nicht dargestellt) nahe der aktiven Schicht realisiert werden, wie dies in gewöhnlichen GaAs Halbleiterlasern oder ähnlichen Elementen der Fall ist.
(Vierte Ausführungsform)
7 zeigt eine Querschnittsansicht eines Galliumnitrid-Halbleiter LED Elements gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindungen. 8 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht von Teil B der 7.
In diesen Abbildungen kennzeichnet das Bezugszeichen 21 ein Saphirsubstrat mit c-Fläche, 22 kennzeichnet eine GaN Pufferschicht, 23 kennzeichnet eine n-GaN Kontaktschicht, 24 kennzeichnet eine n-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht, 25 kennzeichnet eine n-GaN Führungsschicht, 26 kennzeichnet eine aktive Schicht mit einer Multi-Quantentrogstruktur bestehend aus zwei In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschichten 34 und einer In_0.05Ga_0.95N Barrierenschicht 35, 27 kennzeichnet eine Al_0.2Ga_0.8N Verdampfungsverhinderungsschicht, 28 kennzeichnet eine p-GaN Führungsschicht, 29 kennzeichnet eine p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht, 30 kennzeichnet eine p-GaN Kontaktsicht, 31 kennzeichnet eine Elektrode der p-Seite und 32 kennzeichnet eine Elektrode der n-Seite.
Die Oberseite des Saphirsubstrats 21 in dieser Ausführungsform kann alternativ eine weitere Ausrichtung wie eine a-Fläche, r-Fläche und m-Fläche aufweisen. Ebenso kann das Saphirsubstrat auch ein SiC-Substrat, ein Spinel-Substrat, ein MgO-Substrat oder ein Siliziumsubstrat sein. Insbe sondere weist das SiC-Substrat, das im Vergleich zum Saphirsubstrat einfacher zerteilt werden kann, den Vorteil auf, dass eine Unterteilung in Chips von LED Elementen einfach ist. Die Pufferschicht 22 ist nicht auf GaN begrenzet und kann durch ein anderes Material wie AlN oder einen ternären Mischkristall AlGaN ersetzt werden, solange das Material ein epitaktisches Aufwachsen eines Galliumnitridhalbleiters darauf ermöglicht.
Die n-Typ Claddingschicht 24 und die p-Typ Claddingschicht 29 können ebenso aus einem beliebigen ternären AlGaN Mischkristall mit einem von n-Al_0.1Ga_0.9N verschiedenen Al Gehalt sein oder einfach nur aus GaN bestehen. Eine Vergrößerung des Al Gehaltes vergrößert die Energielückendifferenz zwischen der aktiven Schicht und den Claddingschichten, so dass Ladungsträger effektiv in der aktiven Schicht eingeengt werden können, was eine Verbesserung der Temperaturcharakteristik ermöglicht. Andererseits führt eine Erniedrigung des Al Gehalts bei Aufrechterhalten des Einengens von Ladungsträgern zu einer Vergrößerung der Beweglichkeit der Ladungsträger in den Claddingschichten, was den Vorteil mit sich bringt, dass der Elementwiderstand der Lichtemissionsdiode reduziert wird. Alternativ hierzu können diese Claddingschichten aus einem quaternären oder höheren Halbleitermischkristall mit weiteren Elementen als Beimengung ausgebildet sein und die n-Typ Claddingschicht 24 und die p-Typ Claddingschicht 29 können im Hinblick auf die Zusammensetzung des Mischkristalls voneinander abweichen.
Die Führungsschichten 25 und 28 sind nicht auf GaN beschränkt und können aus weiteren Materialien wie InGaN, AlGaN oder weiteren ternären Mischkristallen, oder InGaAlN oder weiteren quaternären Mischkristallen bestehen, solange das Material einen Energielückenwert aufweist, der zwischen der Energielücke der Quantentrogschichten der aktiven Schicht mit der Multi-Quantentrogstruktur 26 und der Energielücke der Claddingschichten 24, 29 liegt. Ebenso ist es nicht erforderlich, dass jede Führungsschicht gänzlich mit einem Donator oder Akzeptor dotiert ist, sondern diese kann teilweise undotiert auf einer zur aktiven Schicht mit der Multi-Quantentrogstruktur 26 näheren Seite verbleiben und ebenso kann die gesamte Führungsschicht undotiert bleiben. In diesem Falle wird die in den Führungsschichten vorhandene Ladungsträgermenge reduziert, so dass eine Lichtabsorption durch freie Ladungsträger abnimmt. Dadurch kann der Oszillationsschwellstrom in vorteilhafter Weise weiter reduziert werden, was zu einer besseren Ausgangsleistung führt. Diese Führungsschichten 25 und 28 erleichtern in vorteilhafter Weise die Injektion von Elektronen und Löchern in die aktive Schicht mit der Multi-Quantentrogstruktur 26 aus den jeweili gen n- und p-Claddingschichten 24 und 29. Diese Führungsschichten 25 und 28 können jedoch weggelassen werden, da die LED-Eigenschaften nicht ernsthaft durch das Weglassen der Führungsschichten 25 und 28 beeinflusst oder verschlechtert werden.
Im Hinblick auf die beiden In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschichten 34 und die eine In_0.05Ga_0.95N Barrierenschicht 35, welche die aktive Schicht mit der Multi-Quantentrogstruktur 26 darstellen, können die Zusammensetzungen entsprechend einer erforderlichen Lichtemissionswellenlänge eingestellt werden. Der In Gehalt der Quantentrogschichten 34 sollte für längere Emissionswellenlängen vergrößert werden und der In Gehalt der Quantentrogschichten 34 sollte für kürzere Emissionswellenlängen verkleinert werden. Darüber hinaus können die Quantentrogschichten 34 und die Barrierenschicht 35 ebenso aus quaternären oder höheren Halbleitermischkristallen bestehend aus einem ternären InGaN Mischkristall zuzüglich weiteren Elementen wie Al als Beimengung ausgebildet werden.
Mit Bezug zu 7 und 8 wird das Verfahren zum Herstellen der obigen Galliumnitrid-Halbleiter LED beschrieben. Obwohl der folgenden Beschreibung MOCVD (metallorganische Gasphasenabscheidung) zugrundegelegt wird, ist es für das Aufwachsverfahren lediglich erforderlich, dass dieses in der Lage ist, GaN epitaktisch aufzuwachsen und weitere Gasphasenaufwachsverfahren wie MBE (Molekularstrahlepitaxie) oder HDVPE (Hydrid-Gasphasenepitaxie) können ebenso verwendet werden.
Zunächst wird auf ein innerhalb eines Aufwachsofens platziertes Saphirsubstrat 21 mit einer c-Fläche als Oberseite eine GaN Pufferschicht 22 mit 35 nm bei einer Aufwachstemperatur von 550°C unter Verwendung von TMG und NH₃ als Quellmaterialien aufgewachsen.
Nachfolgend wird eine 3 μm dicke Si-dotierte n-GaN Kontaktschicht 23 bei der auf 1050°C erhöhten Aufwachstemperatur unter Verwendung von TMG und NH₃ als auch SiH₄ als Quellmaterialien aufgewachsen. Dann wird TMA den Quellmaterialien zugesetzt und es wird eine Si-dotierte n-Al_0.1Ga_0.95N Claddingschicht 24 mit einer Dicke von 0.3 μm bei der auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur aufgewachsen. Nachfolgend wird den Quellmaterialien TMA entzogen bei der auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur wird eine Si-dotierte n-GaN Führungsschicht 25 mit 0.05 um aufgewachsen.
Nachfolgend werden bei der auf 750°C erniedrigten Temperatur unter Verwendung von TMG, NH₃ und TMI als Quellmaterialien eine In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschicht 34 (mit einer Dicke von 3 nm), eine In_0.05Ga_0.95N Barrierenschicht 35 (mit einer Dicke von 5 nm), eine In_0.2Ga_0.8N Quantentrog schicht 34 (mit einer Dicke von 3 nm) sukzessive aufeinander zur Ausbildung einer aktiven Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 26 (mit einer Gesamtdicke von 11 nm) aufgewachsen. Dann wird unter Verwendung von TMG, TMA und NH₃ als Quellmaterialien und mit einer auf 750°C gehaltenen Aufwachstemperatur eine Al_0.2Ga_0.8N Verdampfungsverhinderungsschicht 27 mit einer Dicke von 10 nm aufgewachsen.
Nachfolgend wird mit einer erneut auf 1050°C erhöhten Aufwachstemperatur und unter Verwendung von TMG und NH₃ als auch Cyclopentadienyl-Magnesium als Quellmaterialien eine Mg-dotierte p-GaN Führungsschicht 28 mit einer Dicke von 0.05 μm aufgewachsen. Dann wird den Quellmaterialien TMA zugeführt und bei der auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur wird eine 0.3 μm Mg-dotierte p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 29 aufgewachsen. Dann wird TMA dem Quellmaterial entzogen und mit der auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur wird eine Mg-dotierte p-GaN Kontaktschicht 30 mit einer Dicke von 0.2 μm aufgewachsen. Somit wird eine epitaktische Galliumnitrid-Scheibe vervollständigt.
Nach diesen Prozessschritten wird die Scheibe in Stickstoffatmosphäre bei 800°C ausgeheilt, so dass die Mg-dotierten p-Typ Schichten hinsichtlich des Widerstands erniedrigt werden.
Nachfolgend wird unter Verwendung gewöhnlicher Fotolithographie sowie Druck- und Ätztechniken eine Ätzung in bestimmten Gebieten ausgehend von der obersten Oberfläche der p-GaN Kontaktschicht 30 durchgeführt bis die n-GaN Kontaktschicht 23 freigelegt ist, um die LED herzustellen.
Dann wird eine Elektrode der p-Seite 31 bestehend aus Nickel und Gold auf der Oberfläche der p-GaN Kontaktschicht 30 ausgebildet und eine aus Titan und Aluminium aufgebaute Elektrode der n-Seite 32 wird auf der Oberfläche der durch die Ätzung freigelegten n-GaN Kontaktschicht 23 ausgebildet. Dadurch wird die Galliumnitrid-Halbleiter LED-Scheibe vervollständigt.
Nach diesen Prozessschritten wird die erhaltene Scheibe in einzelne Chips unterteilt. Danach wird jeder Chip auf ein einen Schaft montiert und die Elektroden werden mit den Durchgangsanschlüssen durch Drahtbonden verbunden. Hieraus resultierend wird ein Galliumnitrid-Halbleiter LED-Element vervollständigt.
Das auf diese Weise hergestellte blaue LED-Element zeigte eine Lichtemissionscharakteristik mit einer Spitzenemissionswellenlänge von 430 nm und einer Ausgangsleistung von 6 mW bei einem Vorwärtsstrom von 20 mA. Wie ebenso aus 9 ersichtlich ist, sättigt die Ausgangsleistung selbst bei großem Injektionsstrom nicht, was beweist, dass die Charakteristik zwischen Strom und optischer Ausgangsleistung im Vergleich zu dem gewöhnlichen LED-Element verbessert wurde.
Die Quantentrogschichten 34 und die Barrierenschicht 35, welche die aktive Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 26 darstellen, weisen in dieser Ausführungsform entsprechende Schichtdicken von 3 nm und eine Schichtdicke von 5 nm auf. Falls die Schichtdicke jeder der Quantentrogschichten 34 und der Barrierenschicht 35 auf 10 nm oder weniger für eine gleichmäßige Injektion von Elektronen und Löchern in die beiden Quantentrogschichten eingestellt ist, können selbst mit anderen Schichtdicken ähnliche Wirkungen erzielt werden.
Darüber hinaus wird die Al_0.2Ga_0.8N Verdampfungsverhinderungsschicht 27 derart ausgebildet, dass diese in dieser Ausführungsform in Kontakt mit der aktiven Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 26 steht, wobei die Anordnung verhindern soll, dass die Quantentrogschichten 34 während des Erhöhens der Aufwachstemperatur verdampfen. Ebenso kann diese Verdampfungsverhinderungsschicht 27 mit Mg dotiert werden, was dann in vorteilhafter Weise zu einer einfacheren Injektion von Löchern von der p-GaN Führungsschicht 28 oder der p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 29 führt. Weisen darüber hinaus die Quantentrogschichten 34 einen geringen In Gehalt auf, verdampfen diese Schichten 34 selbst ohne Verdampfungsverhinderungsschicht 27 nicht und somit führt ein Weglassen der Verdampfungsverhinderungsschicht 27 zu keiner Beeinflussung der Charakteristik des Galliumnitrid-Halbleiter LED-Elements dieser Ausführungsform.
(Fünfte Ausführungsform)
10 zeigt eine Querschnittsansicht eines Galliumnitrid-Halbleiterlaserelements gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung und 11 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht von Teil C der 10. Dieses Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement stimmt mit dem Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement der ersten Ausführungsform überein, abgesehen von dem Aufbau der aktiven Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 46. Deshalb werden für dieses Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement dieselben Bezugskennzeichen wie in 10 und 11 verwendet und auf eine detaillierte Beschreibung der Schichten wird, abgesehen von der aktiven Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 46, verzichtet. Es erübrigt sich zu erwähnen, dass verschiedenartige Änderungen, Modifikationen und Alternativen, die im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurden, eben so auf diese Ausführungsform übertragen werden können und dass hierdurch ähnliche Auswirkungen erzielt werden können.
In dieser Ausführungsform besteht die aktive Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 46 aus vier In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschichten 54 und drei In_0.05Ga_0.95N Barrierenschichten 55, welche alternierend gestapelt sind. Die Dicke jeder Barrierenschicht 55 beträgt 4 nm oder weniger.
Im Hinblick auf die vier In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschichten 54 und die drei In_0.05Ga_0.95N Barrierenschichten 55, welche die aktive Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 46 darstellen, können die Zusammensetzungen entsprechend einer erforderlichen Laseroszillationswellenlänge eingestellt werden. Der In Gehalt der Quantentrogschichten 54 sollte für längere Oszillationswellenlängen vergrößert werden und für kürzere Oszillationswellenlängen verkleinert werden. Darüber hinaus können die Quantentrogschichten 54 und die Barrierenschichten 55 ebenso aus einem quaternären oder höheren Halbleitermischkristall bestehend aus einem ternären InGaN Mischkristall zuzüglich weiteren Elementen wie Al als Beimengung aufgebaut sein. Alternativ hierzu können die Barrierenschichten 55 auch lediglich aus GaN aufgebaut sein. Darüber hinaus kann die Anzahl der Quantentrogschichten 54 entweder zwei oder drei anstatt von vier betragen. Jedoch sollte die Schichtdicke jeder Barrierenschicht 55 auf 4 nm oder weniger eingestellt werden, unabhängig vom Material und der Anzahl der Quantentrogschichten, so dass eine Überlappung der Wellenfunktionen von Elektronen und Löchern zwischen den Quantentrogschichten erzielt wird.
Nachfolgend wird mit Bezug zu 10 und 11 das Verfahren zum Herstellen des obigen Galliumnitrid-Halbleiterlasers beschrieben. Obwohl der folgenden Beschreibung MOCVD (metallorganische Gasphasenabscheidung) zugrundegelegt wird, ist es lediglich erforderlich, dass das Verfahren epitaktisch gewachsenes GaN ermöglicht und weitere Gasphasenaufwachsverfahren wie MBE (Molekularstrahlepitaxie) oder HDVPE (Hydrid-Gasphasenepitaxie) können ebenso verwendet werden.
Zunächst wird auf ein Saphirsubstrat 1 mit einer c-Fläche als Oberseite, das in einem Aufwachsofen platziert ist, eine GaN Pufferschicht 2 mit 35 nm bei einer Temperatur von 550°C unter Verwendung von Trimethylgallium (TMG) und Ammonium (NH₃) als Quellmaterialien aufgewachsen.
Danach wird bei einer auf 1050°C erhöhten Aufwachstemperatur eine 3 μm dicke Si-dotierte n-GaN Kontaktschicht 3 unter Verwendung von TMG und NH₃ als auch Silangas (SiH₄) als Quellmaterialien aufgewachsen. Nachfolgend wird Trimethylaluminium (TMA) den Quellmaterialien zugesetzt und bei einer auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur wird eine Si-dotierte n-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 4 mit einer Dicke von 0.7 μm aufgewachsen. Nachfolgend wird TMA den Quellmaterialien entzogen und bei einer auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur wird eine Si-dotierte n-GaN Führungsschicht 5 mit 0.05 μm aufgewachsen.
Danach wird bei einer auf 750°C erniedrigten Aufwachstemperatur unter Verwendung von TMG, NH₃ und Trimethylindium (TMI) als Quellmaterialien ein alternierendes Wachsen einer In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschicht 54 (mit einer Dicke von 3 nm) und einer In_0.05Ga_0.95N Barrierenschicht 55 (mit einer Dicke von 3 nm) drei Mal wiederholt und schließlich wird eine zusätzliche In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschicht 54 (mit einer Dicke von 3 nm) aufgewachsen, so dass eine aktive Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 46 (mit einer Gesamtdicke von 18 nm) vervollständigt wird. Nachfolgend wird unter Verwendung von TMG, TMA und NH₃ als Quellmaterialien bei einer auf 750°C gehaltenen Aufwachstemperatur eine Al_0.2Ga_0.8N Verdampfungsverhinderungsschicht 7 mit einer Dicke von 10 nm aufgewachsen.
Dann wird bei einer erneut auf 1050°C erhöhten Temperatur sowie mit TMG und NH₃ als auch Cyclopentadienyl-Magnesium (Cp₂Mg) als Quellmaterialien eine Mg-dotierte p-GaN Führungsschicht 8 mit einer Dicke von 0.05 μm aufgewachsen. Nachfolgend wird TMA den Quellmaterialien zugesetzt und bei einer auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur wird eine 0.7 um dicke Mg-dotierte p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 9 aufgewachsen. Dann wird TMA dem Quellmaterial entzogen und bei der auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur wird eine Mg-dotierte p-GaN Kontaktschicht 10 mit 0.2 um Dicke aufgewachsen. Dadurch wird eine epitaktische Galliumnitrid-Scheibe vervollständigt.
Nach diesen Prozessschritten wird die Scheibe in Stickstoffatmosphäre bei 800°C ausgeheilt, so dass die Mg-dotierten p-Typ Schichten in deren Widerstand erniedrigt werden.
Zusätzlich wird unter Verwendung gewöhnlicher Fotolithographie und Trockenätztechniken eine Ätzung ausgehend von der obersten Oberfläche der p-GaN Kontaktschicht 10 durchgeführt bis die n-GaN Kontaktschicht 3 freiliegt, um eine 200 μm breite Streifenform zu erzielen. Dann wird unter Verwendung von Fotolithographie und Trockenätztechniken, die ähnlich zu den vorigen Techniken sind, die p-GaN Kontaktschicht 10 und die p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 9 geätzt, so dass die verbleibende p-GaN Kontaktschicht 10 eine kantenförmige Struktur mit einer 5 μm breiten Streifenform aufweist.
Nachfolgend wird eine 200 nm dicke Isolationsschicht 13 aus SiO₂ an den Seitenflächen der Kante R und der Oberfläche der von der Kante R ver schiedenen p-Typ Schicht ausgebildet. Eine aus Nickel und Gold bestehende Elektrode der p-Seite 11 wird auf der Oberfläche dieser Isolationsschicht 13 aus SiO₂ und der p-GaN Kontaktschicht 10 ausgebildet und eine aus Titan und Aluminium aufgebaute Elektrode der n-Seite 12 wird auf der Oberfläche der durch die Ätzung freigelegten n-GaN Kontaktschicht 3 ausgebildet. Somit wird eine Galliumnitrid-LD (Laserdiode)-Scheibe vervollständigt.
Nach diesen Prozessschritten wird die so erhaltene Scheibe in einer zum kantenförmigen Streifen vertikalen Richtung zur Ausbildung von Stirnseiten eines Laserresonators zerteilt und dann wird die Scheibe in einzelne Chips unterteilt. Danach wird jeder Chip auf einen Schaft montiert und die Elektroden werden mit Durchgangsanschlüssen durch Drahtbonden verbunden. Dadurch wird ein Galliumnitrid-Halbleiter LD-Element vervollständigt.
Im Hinblick auf das auf diese Weise hergestellte blaue LD-Element wurde bestätigt, dass eine Lasercharakteristik mit einer Oszillationswellenlänge von 430 nm und einem Oszillationsschwellstrom von 40 mA erzielt werden kann und dass eine optische Ausgangsleistung durch Injektion eines Hochfrequenzstroms von 300 MHz bis maximal ungefähr 1 GHz moduliert werden kann. Folglich konnte mit dem blauen LD-Element dieser Ausführungsform ein blaues LD-Element bereitgestellt werden, das in der Lage ist, Datenlesefehler zu verhindern und das für optische Platten eingesetzt werden kann.
12 zeigt ein Diagramm zur Variation des Schwellstromwertes und der maximalen Modulationsfrequenz eines zur Modulation einer optischen Ausgangsleistung geeigneten Injektionsstromes bei Änderung der Anzahl der Quantentrogschichten in Galliumnitrid-Halbleiterlaserelementen von 1 bis 5. Die Halbleiterlaser weisen denselben Aufbau wie das Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement der fünften Ausführungsform der Erfindung auf, abgesehen von der Anzahl der Quantentrogschichten sowie der Anzahl der Barrierenschichten, die von der Anzahl der Quantentrogschichten abhängt. Wie dieser Figur zu entnehmen ist, betrifft es lediglich die erfindungsgemäßen Galliumnitrid-Halbleiterlaserelemente, bei denen die Anzahl von Quantentrogschichten zwei bis vier entsprechen, die einen geringen Oszillationsschwellstrom aufweisen und die eine ausreichend modulierte Ausgangsleistung bei Injektion eines Hochfrequenzstroms im Bereich von 300 MHz bis ungefähr 1 GHz aufweisen.
Die Quantentrogschichten 54 und die Barrierenschichten 55, die die aktive Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 6 darstellen, wurden in dieser Ausführungsform beide mit einer jeweiligen Schichtdicke von 3 nm und 2 nm gewählt. Sofern die Schichtdicke jeder der Quantentrogschichten 54 und die Schichtdicke jeder der Barrierenschichten 55 auf jeweils 10 nm oder weniger und 4 nm oder weniger zur Erzielung einer gleichmäßigen Injektion von Elektronen und Löchern in jede der Quantentrogschichten eingestellt sind, können auch mit anderen Schichtdicken ähnliche Wirkungen erzielt werden. 13 zeigt ein Diagramm zur Variation der maximalen Modulationsfrequenz eines zur Modulation einer optischen Ausgangsleistung geeigneten Injektionsstroms bei Änderung der Schichtdicke der Barrierenschicht in Galliumnitrid-Halbleiterlaserelementen, bei denen die Anzahl von Quantentrogschichten jeweils zwei, drei und vier entsprechen. Diese Halbleiterlaser weisen einen ähnlichen Aufbau wie das Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement der fünften Ausführungsform auf, abgesehen davon, dass diese in Bezug auf die Schichtdicke der Barrierenschichten verschieden sind. Aus dieser Figur ist zu erkennen, dass im Falle einer auf 4 nm oder weniger eingestellten Schichtdicke der Barrierenschichten die optische Ausgangsleistung ausreichend durch Injektion eines Hochfrequenzstroms im Bereich von 300 MHz bis ungefähr 1 GHz moduliert werden kann. Es wurde ebenso verifiziert, dass bei auf 10 nm oder weniger eingestellter Schichtdicke jeder Quantentrogschicht die optische Ausgangsleistung ausreichend durch Injektion eines Hochfrequenzstroms selbst bei ungefähr 1 GHz moduliert werden kann.
(Sechste Ausführungsform)
14 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Halbleiterlaserelements mit einer Treiberschaltung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Ein in 14 gezeigtes Halbleiterlaserelement 66 stellt ein Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement dar, das vier Quantentrogschichten gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung aufweist. Eine Hochfrequenz-Treiberschaltung 17 weist einen zur in der zweiten Ausführungsform verwendeten Treiberschaltung ähnlichen Aufbau auf und dient der Modulation eines Injektionsstroms in das Halbleiterlaserelement 66 bei hoher Frequenz und damit zur Modulation dessen optischer Ausgangsleistung. In dieser Ausführungsform wurde die Modulationsfrequenz des Injektionsstroms auf 300 MHz eingestellt. Das Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement gemäß der fünften Ausführungsform zeigt, dass dessen optische Ausgangsleistung selbst bei einer maximalen Injektionsstrommodulationsfrequenz von mehr als 1 GHz moduliert werden kann und die optische Ausgangsleistung selbst bei einer Frequenz von 300 MHz ausreichend moduliert ist. Bei Einsatz der gegenwärtigen Ausführungsform als Lichtquelle in einer optische Platte konnte die Laserlichtkohärenz aufgrund einer ausreichend modulierten optischen Ausgangsleistung des Halbleiterlasers erniedrigt werden, so dass Rau schen durch von der Plattenoberfläche zurückkehrendes Licht reduziert werden konnte. Somit wurde es möglich, Daten von der optischen Platte ohne Fehler auszulesen.
Die Modulationsfrequenz des Injektionsstroms wurde in dieser Ausführungsform auf 300 MHz eingestellt. Jedoch können weitere Modulationsfrequenzen in einem Bereich von 300 MHz bis zu einer maximalen Frequenz von ungefähr 1 GHz zum Ansteuern des Nitrid-Halbleiterlasers verwendet werden, sofern die Modulationsfrequenz eine Verringerung des Rauschens durch von der Plattenoberfläche zurückkehrendes Laserlicht durch Verringern der Kohärenz des Laserlichts ermöglicht.
(Siebte Ausführungsform)
15 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Halbleiterlaserelements mit einer Treiberschaltung gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung. Für ein in 15 gezeigtes Halbleiterlaserelement 68 wird das Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement mit vier Quantentrogschichten gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung verwendet, jedoch ist dieses hinsichtlich der Streifenbreite zur Ausbildung der Quantenstruktur als auch hinsichtlich der Tiefe durch Ätzen der p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 9 derart abgestimmt, dass das Halbleiterlaserelement 68 ein selbstoszillierender Laser ist, bei dem die optische Ausgabeleistung selbst bei Injektion eines nicht-modulierten konstanten Stroms moduliert wird. In diesem Beispiel wurde die Streifenbreite auf 3 μm eingestellt und die Schichtdicke der p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 9, die nach dem Ätzprozess verbleibt, wurde auf 0.2 μm eingestellt. Die Streifenbreite und die Schichtdicke sind nicht auf die Werte dieses Beispiels beschränkt und müssen lediglich innerhalb eines entsprechenden Bereiches von 1 μm bis 5 μm und von 0.05 μm bis 0.5 μm fallen. Die Modulationsfrequenz der optischen Ausgangsleistung für das auf diese Weise hergestellte selbstoszillierende Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement betrug 800 MHz. auszulesen.
Aufgrund der Anordnung mit zwei bis 4 Quantentrogschichten und der Barrierenschichten der Dicke von 4 nm oder weniger ist das erfindungsgemäße Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement hinsichtlich der Modulation der innerhalb der Quantentrogschichten vorhandenen Elektronen und Löcher empfindlich. Somit ist es einfach, einen selbstoszillierenden Halbleiterlaser herzustellen, bei dem eine optische Ausgabeleistung nicht nur durch Modulation der Dichten von Elektronen und Löchern durch entsprechende Modulation des Injektionsstroms moduliert wird, sondern ebenso durch Modulation der Dichten von Elektronen und Löchern selbst bei Injektion eines nicht-modulierten konstanten Stroms, so dass es möglich wird, die optische Ausgabeleistung bei höheren Frequenzen zu modulieren.
Eine Konstantstrom-Treiberschaltung 19, die der in der dritten Ausführungsform verwendeten Treiberschaltung ähnelt, dient der Injektion eines konstanten Stromes in den Halbleiterlaser. Bei Verwendung dieser Ausführungsform als Lichtquelle für eine optische Platte konnte die Laserlichtkohärenz mittels der ausreichend modulierten Ausgabeleistung des Halbleiterlasers derart erniedrigt werden, dass Rauschen aufgrund von der Plattenoberfläche zurückkehrenden Lichtes reduziert werden konnte. Dadurch wurde es möglich, Daten von der optischen Platte ohne Fehler auszulesen.
Das in der siebten Ausführungsform verwendete Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement 18 ist ein selbstoszillierender Halbleiterlaser, der das Abstimmen von sowohl der Streifenbreite w beim Ausbilden der Kantenstruktur und der Tiefe, bis zu der die p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 9 geätzt wird, erzielt wird. Alternativ hierzu kann der selbstoszillierende Laser durch Bereitstellen einer sättigbaren Absorberschicht (nicht dargestellt) nahe der aktiven Schicht realisiert werden, wie dies in gewöhnlichen GaAs Halbleiterlasern oder ähnlichen Elementen der Fall ist.
(Achte Ausführungsform)
16 zeigt eine Querschnittsansicht eines Galliumnitrid-Halbleiter LED-Elements gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung und 17 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht von Teil D der 16. Dieses Galliumnitrid-Halbleiter LED-Element entspricht dem Galliumnitrid-Halbleiter LED-Element der vierten Ausführungsform, abgesehen vom Aufbau der aktiven Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 76. Deshalb werden für dieses Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement dieselben Bezugszeichen wie in 7 und 8 verwendet und auf eine detaillierte Beschreibung der Schichten wird verzichtet, abgesehen von der aktiven Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 76. Es erübrigt sich zu erwähnen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Alternativen, welche im Zusammenhang mit der vierten Ausführungsform beschrieben werden, ebenso auf diese Ausführungsform übertragen werden können und hierdurch lassen sich ähnliche Effekte erzielt werden.
In dieser Ausführungsform besteht die aktive Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 76 aus drei In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschichten 84 und zwei In_0.05Ga_0.95N Barrierenschichten 85, welche alternierend gestapelt sind. Die Dicke jeder Barrierenschicht 85 beträgt 4 nm oder weniger.
Die drei In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschichten 84 und die beiden In_0.05Ga_0.95N Barrierenschichten 85, welche die aktive Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 76 darstellen, können hinsichtlich ihrer Zusammensetzung entsprechend einer erforderlichen Lichtemissionswellenlänge eingestellt werden. Der In Gehalt der Quantentrogschichten 84 sollte für längere Emissionswellenlängen vergrößert und für kürzere Emissionswellenlängen verkleinert werden. Zudem können die Quantentrogschichten 84 und die Barrierenschichten 85 ebenso aus einem quaternären oder höheren Halbleitermischkristall bestehend aus einem ternären Mischkristall aus InGaN zuzüglich weiteren Elementen wie Al als Beimengung ausgebildet sein. Alternativ hierzu können die Barrierenschichten 85 einfach aus GaN bestehen. Zudem kann die Anzahl der Quantentrogschichten 84 entweder zwei oder vier anstatt drei betragen. Jedoch sollte die Schichtdicke jeder Barrierenschicht 85 auf 4 nm oder weniger eingestellt sein, unabhängig vom Material und der Anzahl der Quantentrogschichten, so dass zwischen den Quantentrogschichten ein Überlapp der Wellenfunktionen von Elektronen und Löchern auftritt.
Mit Bezug zu 16 und 17 wird das Verfahren zum Herstellen der obigen Galliumnitrid-Halbleiter LED beschrieben. Obwohl MOCVD (metallorganische Gasphasenabscheidung) der folgenden Beschreibung zugrunde liegt, ist es lediglich erforderlich, dass das Verfahren epitaktisch gewachsenes GaN ermöglicht und weitere Gasphasenaufwachsverfahren wie MBE (Molekularstrahlepitaxie) oder HDVPE (Hydrid-Gasphasenepitaxie) können ebenso verwendet werden.
Zunächst wird auf ein innerhalb eines Aufwachsofens platziertes Saphirsubstrat 21 mit einer c-Fläche als Oberseite eine GaN Pufferschicht 22 mit 35 nm bei einer Aufwachstemperatur von 550°C unter Verwendung von TMG und NH₃ als Quellmaterialien aufgewachsen.
Nachfolgend wird eine 3μm dicke Si-dotierte n-GaN Kontaktschicht 23 bei der auf 1050°C erhöhten Aufwachstemperatur unter Verwendung von TMG und NH₃ als auch SiH₄ als Quellmaterialien aufgewachsen. Dann wird TMA den Quellmaterialien zugesetzt und es wird eine Si-dotierte n-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 24 mit einer Dicke von 0.3 μm bei der auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur aufgewachsen. Nachfolgend wird den Quellmaterialien TMA entzogen und bei der auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur wird eine Si-dotierte n-GaN Führungsschicht 25 mit 0.05 um aufgewachsen.
Nachfolgend werden bei der auf 750°C erniedrigten Temperatur unter Verwendung von TMG, NH₃ und TMI als Quellmaterialien eine In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschicht 84 (mit einer Dicke von 3 nm), eine In_0.05Ga_0.95N Barrie renschicht 85 (mit einer Dicke von 4 nm) zweimal hintereinander aufgewachsen und danach wird eine zusätzliche In_0.2Ga_0.8N Quantentrogschicht 84 (mit einer Dicke von 3 nm) aufgewachsen, so dass eine aktive Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 76 (mit einer Gesamtdicke von 17 nm) vervollständigt wird. Dann wird unter Verwendung von TMG, TMA und NH₃ als Quellmaterialien und mit einer auf 750°C gehaltenen Aufwachstemperatur eine Al_0.2Ga_0.8N Verdampfungsverhinderungsschicht 27 mit einer Dicke von 10 nm aufgewachsen.
Nachfolgend wird mit einer erneut auf 1050°C erhöhten Aufwachstemperatur und unter Verwendung von TMG und NH₃ als auch Cp₂Mg (Cyclopentadienyl-Magnesium) als Quellmaterialien eine n-dotierte p-GaN Führungsschicht 28 mit einer Dicke von 0.05 μm aufgewachsen. Dann wird den Quellmaterialien TMA zugefügt und bei der auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur wird eine 0.3 μm dicke Mg-dotierte p-Al_0.1Ga_0.9N Claddingschicht 29 aufgewachsen. Dann wird TMA dem Quellmaterial entzogen und mit der auf 1050°C gehaltenen Aufwachstemperatur wird eine Mg-dotierte p-GaN Kontaktschicht 30 mit einer Dicke von 0.2 μm aufgewachsen. Somit wird eine epitaktische Galliumnitrid-Scheibe vervollständig.
Nach diesen Prozessschritten wird die Scheibe in Stickstoffatmosphäre bei 800°C ausgeheilt, so dass die Mg-dotierten p-Typ Schichten hinsichtlich des Widerstands erniedrigt werden.
Nachfolgend wird unter Verwendung gewöhnlicher Fotolithographie und Trockenätztechnik eine Ätzung in bestimmten Gebieten ausgehend von der obersten Oberfläche der p-GaN Kontaktschicht 30 durchgeführt, bis die n-GaN Kontaktschicht 23 freigelegt ist, um die LED herzustellen.
Dann wird eine Elektrode der p-Seite 31 bestehend aus Nickel und Gold auf der Oberfläche der p-GaN Kontaktschicht 30 ausgebildet und eine aus Titan und Aluminium aufgebaute Elektrode der n-Seite 32 wird auf der Oberfläche der durch die Ätzung freigelegten n-GaN Kontaktschicht 23 ausgebildet. Dadurch wird die Galliumnitrid-Halbleiter LED-Scheibe vervollständigt.
Nach diesen Prozessschritten wird die erhaltene Scheibe in einzelne Chips unterteilt. Dann wird jeder Chip auf einen Schaft montiert und die Elektroden werden mit den Durchgangsanschlüssen durch Drahtbonden verbunden. Hieraus resultierend wird ein Galliumnitrid-Halbleiter LED-Element vervollständigt.
Das auf diese Weise hergestellte blaue LED-Element zeigte eine Lichtemissionscharakteristik mit einer Spitzenemissionswellenlänge von 430 nm und einer Ausgangsleistung von 6 mW bei einem Vorwärtsstrom von 20 mA. Wie ebenso aus 18 ersichtlich ist, sättigt die Ausgangsleistung selbst bei großem Injektionsstrom nicht, was beweist, dass die Charakteristik zwischen Strom und optischer Ausgangsleistung im Vergleich zu dem gewöhnlichen LED-Element verbessert wurde. Ebenso wurde die Wellenlängenverschiebung aufgrund der Strominjektion, welche bei dem herkömmlichen blauen LED-Element 7 nm betrug, erfindungsgemäß auf 2 nm reduziert.
Die Quantentrogschichten 84 und die Barrierenschichten 85, welche die aktive Schicht mit Multi-Quantentrogstruktur 76 darstellen, weisen in dieser Ausführungsform eine entsprechende Schichtdicke von 3 nm und eine Schichtdicke von 4 nm auf. Falls die Quantentrogschichten 84 und die Barrierenschichten 85 entsprechende Dicken von 10 nm oder weniger und 4 nm oder weniger für eine gleichmäßige Injektion von Elektronen und Löchern in jede der Quantentrogschichten aufweisen, können selbst mit anderen Schichtdicken ähnliche Wirkungen erzielt werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Das erfindungsgemäße Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement wird als Halbleiterlaserelement zur Informationsverarbeitung in optischen Platten oder desgleichen und als Halbleiterlaserlichtemissionsdiodenelement für großflächige Farbdisplayvorrichtungen oder desgleichen eingesetzt. Das Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement kann bei Kombination mit einer Treiberschaltung zur Injektion eines elektrischen Stroms in ein Halbleiterlaserelement als Halbleiterlaserlichtquellenvorrichtung etwa zum Lesen von Daten von einer optischen Platte verwendet werden.

Claims

Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement mit einem Substrat (1, 21), einer aktiven Schicht (6, 26) aus einem wenigstens Indium und Gallium enthaltenden Nitridhalbleiter mit einer Quantentrogstruktur, einer ersten Claddingschicht (4, 24) und einer zweiten Claddingschicht (9, 29), zwischen die die aktive Schicht eingelegt ist; wobei die aktive Schicht (6, 26) zwei Quantentrogschichten (14, 34) und eine Barrierenschicht (15, 35) aufweist, wobei die eine Barrierenschicht (15,35) zwischen den Quantentrogschichten angeordnet ist; und wobei die Barrierenschicht (15, 35) eine Schichtdicke von 10 nm oder weniger aufweist und die aktive Schicht eine gleichmäßige Verteilung von Elektronen und Löchern in jeder der Quantentrogschichten ermöglicht.
Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement nach Anspruch 1, wobei das Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement ein Halbleiterlaserelement ist und die aktive Schicht (6) einen Oszillator des Halbleiterlaserelements ausbildet.
Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement nach Anspruch 2, wobei das Halbleiterlaserelement ein selbstoszillierendes Halbleiterlaserelement ist.
Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement mit einem Substrat (1), einer aktiven Schicht (46) mit einer Quantentrogstruktur aus einem wenigstens Indium und Gallium enthaltenden Nitridhalbleiter sowie einer ersten Claddingschicht (4) und einer zweiten Claddingschicht (9), zwischen die die aktive Schicht eingelegt ist; wobei das Element ein Laserelement ist; wobei die aktive Schicht (46) aus zwei bis vier Quantentrogschichten (54) und aus ein bis drei zwischen die Quantentrogschichten angeordneten Barrierenschichten (55) besteht, und wobei die oder jede Barrierenschicht (15, 55) eine Schichtdicke von 4nm oder weniger aufweist, wobei die aktive Schicht (46) eine gleichmäßige Verteilung von Elektronen und Löchern in jeder der Quantentrogschichten ermöglicht; wobei die aktive Schicht (46) einen Oszillator des Laserelements ausbildet; und wobei die eine (9) der ersten und zweiten Claddingschichten (9, 4), die am weitesten vom Substrat entfernt ist, eine p-Typ Claddingschicht ist, und die p-Typ Claddingschicht (9) einen Kantenbereich sowie erste und zweite Bereich konstanter Dicke (d) aufweist, die an gegenüberliegenden lateralen Seiten des Kantenbereichs angeordnet sind.
Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement nach Anspruch 4, wobei das Halbleiterlaserelement ein selbstoszillierendes Halbleiterlaserelement ist.
Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jede Quantentrogschicht (14, 34, 54) eine Schichtdicke von 10nm oder weniger aufweist.
Galliumnitrid-Halbleiterlichtemissionselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der die aktive Schicht ausbildende Nitridhalbleiter im Wesentlichen aus Stickstoff, Indium und Gallium besteht.
Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 2 bis 7 mit einer zusätzlichen Treiberschaltung (17, 19) zum Injizieren eines elektrischen Stroms in das Halbleiterlaserelement.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 8, wobei die Treiberschaltung (17, 19) zur Injektion eines modulierten Stroms mit einer Modulationsfrequenz von 300MHz oder mehr geeignet ist.
Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 2, 3 und 6 bis 9, wobei eine der ersten und zweiten Claddingschichten eine p-Typ Claddingschicht darstellt, die die am weitesten vom Substrat entfernte Claddingschicht ist und die einen Kantenbereich sowie erste und zweite Bereich konstanter Dicke (d) aufweist, die an gegenüberliegenden lateralen Seiten des Kantenbereichs angeordnet sind.
Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 4, 5 und 10 oder nach einem der Ansprüche 6 bis 9 bei Abhängigkeit von Anspruch 4 oder 5, wobei der Kantenbereich der p-Typ Claddingschicht eine Weite (w) von der Grenze zwischen dem Kantenbereich und einem Bereich konstanter Dicke (d) zur Grenze zwischen dem Kantenbereich und dem anderen Bereich konstanter Dicke (d) aufweist und die Weite (w) im Bereich zwischen ungefähr 1μm bis 5μm liegt.
Halbleiterlaserelement nach einem der Ansprüche 4, 5, 10 oder 11 oder nach einem der Ansprüche 6 bis 9 bei Abhängigkeit von Anspruch 4 oder 5, wobei die Bereiche konstanter Dicke der p-Typ Claddingschicht jeweils eine Schichtdicke (d) zwischen 0.05μm bis 0.5μm aufweisen.
Galliumnitrid-Halbleiterlaserelement mit einem Substrat (1, 21), einer aktiven Schicht (6, 26) mit einer Quantentrogstruktur, die aus einem wenigstens Indium und Gallium enthaltenden Nitridhalbleiter besteht, sowie einer n-Typ Claddingschicht (4, 24) und einer p-Typ Claddingschicht (9, 29), zwischen die die aktive Schicht eingelegt ist, wobei die aktive Schicht (6) einen Oszillator des Halbleiterlaserelements darstellt und die p-Typ Claddingschicht (9), die die am weitesten vom Substrat entfernte Claddingschicht ist, einen Kantenbereich und erste und zweite Bereiche konstanter Dicke (d) aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des Kantenbereichs angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Schicht (6, 26) aus zwei Quantentrogschichten (14, 34) und einer zwischen den Quantentrogschichten angeordneten Barrierenschicht (15, 35) besteht, jede Quantentrogschicht (15, 35) eine Schichtdicke von 10nm oder weniger aufweist, und wobei die aktive Schicht eine gleichmäßige Verteilung von Elektronen und Löchern in den Quantentrogschichten ermöglicht; und der Kantenbereich der p-Typ Claddingschicht eine Weite (w) von der Grenze zwischen dem Kantenbereich und einem Bereich konstanter Dicke (d) zur Grenze zwischen dem Kantenbereich und dem anderen Bereich konstanter Dicke (d) aufweist, die zwischen ungefähr 1μm bis 5μm liegt.
Halbleiterlaserelement nach Anspruch 13, wobei die Bereiche konstanter Dicke der p-Typ Claddingschicht jeweils eine Schichtdicke (d) zwischen 0.05μm bis 0.5μm aufweisen.