DE102007031132B4 - Defect-based silicon laser structure - Google Patents

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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...VCSEL type semiconductor laser diode having
A silicon substrate,
A laser cavity made of silicon or silicon germanium, which extends from a main surface of the silicon substrate into the interior of the substrate and has, as resonator end faces, a first mirror layer on the light emission surface of the substrate and a buried second mirror layer in the silicon substrate;
A crystalline silicon or silicon germanium reinforcement region arranged in the laser cavity, which contains structural defects of its crystal lattice and a multiplicity of electronic multilevel systems localized thereon, which can be excited by carrier injection of respectively suitable charge carrier density into the active region
For the spontaneous emission of light and
As a whole into a population inversion state suitable for optically amplifying the light by stimulated emission;
and with
- Laterally of the gain region on opposite sides of adjacent and oppositely conductive semiconductor regions of silicon or silicon-germanium, which are suitable for the charge carrier injection in the gain region doped and doped with electrically conductive contacts for applying a ...

Figure 00000001
Figure 00000001

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.The The invention relates to a semiconductor laser diode. In particular, it concerns the present invention is a silicon-based semiconductor laser diode from the VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) type, ie a surface emitting Laser diode with vertical laser cavity.

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.From the WO 2006/117389 A1 For example, a silicon-based dislocation-based light emitter is known. In these light emitters, the light emission is caused by certain emissions of the known silicon D-luminescence band. Luminescence with light wavelengths in the range of 1.3 microns or 1.55 microns can be promoted by selective adjustment of rotation and tilt angle of the lattice structures of two adjacent silicon layers. The D-luminescence band (also referred to as D-band luminescence) is then caused by multilevel electronic systems, which are strongly localized in the region of a dislocation network at the interface between the two silicon layers, cf. T. Sekiguchi, S. Ito, A. Kanai, "Cathodoluminescence Study on the Tilt and Twine Boundaries in Bonded Silicon Wafers", Materials Science and Engineering B 91-92 (2002), pages 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.In the WO 2006/117389 A1 is stated that the light emitter described therein can also be designed as a laser diode. It is further described that a resonator can be produced either by mirroring the substrate edges or alternatively by mirroring the substrate surfaces. The latter corresponds to a VCSEL structure. From the US 2007/0105251 A1 is a semiconductor laser diode of VCSEL type (see the there 6 ), which has a laser cavity of silicon germanium on an upper surface of a silicon substrate. In this case, a lower Bragg reflector, which consists of λ / 4 SiO 2 / Si layers, formed in an etched recess on the back of the wafer.

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.The US 2004/0188669 A1 shows a VCSEL laser diode (compare the local 9 ), which is deposited on a silicon substrate. The VCSEL laser diode uses superlattices as a gain medium, which is formed between a λ / 4 Bragg mirror with high reflectivity and a coupling out λ / 4 Bragg reflector. The formation of the superlattice is carried out using rare earth metals. The coupling of the light can be supported by a suitable structuring of the back.

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.From the DE 10 2004 024 997 B4 a semiconductor light-emitting diode having a first silicon-containing or silicon semiconductor layer of a first conductivity type, an adjacent second silicon-containing or silicon semiconductor layer of the first conductivity type and having a third silicon-containing or silicon semiconductor layer of a second conductivity type is known, in which the second semiconductor layer has such a low defect density indicates that the non-radiative Shockley read-hall recombination time constant is 10 microseconds or more. In addition, the second and the third semiconductor layer of the semiconductor diode presented have concentration profiles which produce an asymmetrical pn junction in such a way that, when the operating voltage is applied, a stronger injection of minority charge carriers takes place from the third to the second semiconductor layer than in the opposite direction. In addition, the concentration profiles or material compositions of the first and second semiconductor layers are selected such that movement of minority charge carriers from the second to the first semiconductor layer is impeded or prevented. The proposed structure realizes a high excess carrier concentration in the second semiconductor layer during the operating state.

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.The document "Electronics Letters" (2004), Vol. 14, "Silicon-based Electrically Driven Microcavity LED," J. Potfajova et al., Shows a silicon-based light-emitting diode formed on a silicon substrate and a CoSi 2 layer as a lower mirror, a pn diode as active layer and an upper Bragg mirror, which consists of 2.5 pairs of Si / SiO 2 layers. The electrical characteristic of such a device is no longer diode-like, but almost ohmic.

Es wäre wünschenswert, die aus dem Stand der Technik bekannten Laserstrukturen hinsichtlich der Intensität ihre Lichtemission zu verbessern.It would be desirable the known from the prior art laser structures in terms of intensity to improve their light emission.

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.The underlying technical problem of the present invention is it a silicon semiconductor laser diode with through defects indicate emitted light emission, which is an increased light emission having.

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.
The technical problem is solved by a semiconductor laser diode according to claim 1. More specifically, it is a VCSEL type semiconductor laser diode
  • A silicon substrate,
  • A laser cavity made of silicon or silicon germanium, which extends from a main surface of the silicon substrate into the interior of the substrate and has, as resonator end faces, a first mirror layer on the substrate surface intended for light emission and a buried second mirror layer in the silicon substrate;
  • - An amplifier arranged in the laser cavity crystalline silicon or silicon germanium region which contains structural defects of its crystal lattice and localized thereon a multiplicity of electronic multilevel systems which are excitable by carrier injection of respectively suitable carrier density into the active region
  • For the spontaneous emission of light and
  • As a whole into a population inversion state suitable for optically amplifying the light by stimulated emission; and with
  • - Side of the gain region on opposite sides of adjacent and oppositely conductive semiconductor regions of silicon or silicon-germanium, which are suitably doped for the charge carrier injection into the gain region and provided with electrically conductive contacts for applying a suitable for carrier injection operating voltage.

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.With the semiconductor laser diode according to the invention manages to defect based luminescence of silicon or silicon germanium for forming a semiconductor laser to stimulated emission with exploit greater light intensity. On the one hand, in cooperation, one carries through the laser structure caused lateral charge carrier injection into the reinforcement area during operation of the diode and on the other hand embedded in the substrate second mirror layer at.

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.following Be exemplary embodiments of inventive semiconductor laser diode described. The additional Features of the embodiments can be combined with each other to further embodiments of the semiconductor laser diode to form the invention, unless they are expressly as Alternatives described.

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.The for the optical amplification of the light in the reinforcement area The semiconductor laser diode used structural defects can in alternative embodiments be different nature. In one embodiment, it is to dislocations in the silicon crystal lattice. In another, alternative embodiment If the structural defects are so-called rod-shaped defects (English: Rod Like Defects). This type of defect is known radiant transitions between electronic states exhibiting a luminescence in the range at room temperature lead from about 0.75 to 0.9 eV, with a maximum at 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 another alternative embodiment of the semiconductor laser diode are the structural defects inherent in Interaction with oxygen precipitates stand. Also oxygen precipitates lead in silicon to a light emission that manifests itself in an emission band makes a maximum at 0.8 eV at a temperature of 80K Has.

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 a further alternative embodiment, the structural defects are the structural defects responsible for one of the known D-band emissions in silicon. The exact nature of these defects is still under discussion in the professional world. The D-band luminescence shows, in particular, narrow and light-intensive luminescence peaks which are denoted by D1 to D4 and can each also occur alone or in groups with different intensities. Details are in the WO 2006/117 389 A1 described. It has been shown that with the laser structure according to the invention, said defect structures can be excited to stimulated emission, whereby a laser activity in the spectral range is achieved, which is particularly interesting for optoelectronic applications. Because in the spectral ranges at 1.3 and 1.55 micrometers optical wavelength optical fibers known to have a minimum of their attenuation, so that a light transmission over long distances is possible. So far, however, no semiconductor lasers that can be integrated into advanced silicon technology have come to market maturity.

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.In an embodiment has the reinforcement area the semiconductor laser diode, the shape of a cylinder. The two opposite conductive Semiconductor regions are realized as follows: a first Semiconductor region of these oppositely conductive semiconductor regions is also cylindrical, however, with a smaller radius than the reinforcing area. This cylindrical first Semiconductor region is arranged in the cylinder of the amplification region. It extends from the surface side Center of the reinforcement area from in Rich direction of the substrate interior. The extension is sufficient at least along a portion of the central axis of the reinforcing area formed cylinder.

Die Spiegelschichten können entweder als Bragg-Reflektorstruktur ausgebildet sein. Alternativ kann die erste oder zweite Spiegelschicht auch eine Sauerstoff-Präzipitate enthaltene Siliziumschicht sein.The Mirror layers can be formed either as a Bragg reflector structure. Alternatively, you can the first or second mirror layer also contains an oxygen precipitate be contained silicon layer.

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.In preferred exemplary embodiments, the silicon substrate is designed as a silicon-on-insulator substrate (silicon on insulator, SOI) to increase the charge carrier confinement, that is to say to reduce the range of motion of the charge carriers to a region which is possibly limited to the gain region. The SOI substrate has a silicon layer containing the gain region toward the surface and a buried insulator layer adjacent to the substrate interior adjacent to the gain region. The buried second mirror Layer is arranged in this embodiment in a substrate interior to the insulator layer adjacent silicon layer.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Halbleiterlaserdiode sind auch in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.embodiments the semiconductor laser diode according to the invention are also in the dependent claims described.

Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der Halbleiterlaserdiode anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:following Be different embodiments the semiconductor laser diode explained with reference to the figures. Show it:

1 Eine schematische Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Laserdiode gemäß der Erfindung; 1 A schematic cross-sectional view of a first embodiment of a laser diode according to the invention;

2 Eine schematische Draufsicht der Laserdiode der 1; 2 A schematic plan view of the laser diode of 1 ;

3 Eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laserdiode; 3 A schematic cross-sectional view of a second embodiment of a laser diode according to the invention;

4 Eine schematische Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laserdiode. 4 A schematic cross-sectional view of a third embodiment of a laser diode according to the invention.

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. 1 shows a schematic cross-sectional view of a first embodiment of a laser diode 100 , The laser diode 100 is in 1 shown in a section that does not cover the entire width and depth of the device.

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.The laser diode 100 has a silicon substrate 102 , which is manufactured according to one of the usual semiconductor production method for a (bulk) silicon. Subsequent processing of the substrate is in a reinforcing area 104 a volume with dislocations, rod-like defects, oxygen precipitates o. The defects can be generated locally with well-known techniques such as ion implantation and / or thermal treatment.

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.The reinforcement area 104 is viewed in the vertical direction, the in 1 shown as z-direction, in a laser cavity 106 passing through two mirror layers 108 and 110 is limited. The mirror layer 108 is on the surface of the silicon substrate 102 educated. The mirror layer 110 is embedded in the substrate at a distance from the reinforcing region.

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.The extent of the laser cavity 106 in the vertical direction is selected according to a desired emission wavelength of the laser light to be imitated. A high efficiency of the laser diode is achieved when the extension of the laser cavity in for a resonance peak in the spectral range of the maximum gain of the gain region 104 provides. This can be considered according to the used amplification mechanism in the design of the laser diode accordingly.

Bei den Spiegelschichten 108 und 110 handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um Bragg-Reflektoren.In the mirror layers 108 and 110 In the present exemplary embodiment, these are Bragg reflectors.

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.The p-type gain region is in the lateral direction, the in 1 also referred to as x-direction, between an n-conductive region 112 and a p-type region 114 arranged. The reinforcement area 104 is approximately cylindrical. In its center extends along the cylinder axis, the likewise cylindrical n-conductive region 112 However, its depth extension and radius are smaller than that of the gain region 104 , The reinforcement area 104 is annular in the lateral direction of the p-type substrate region 114 surround. Even that between the reinforcement area 104 and the buried mirror layer 110 arranged substrate area 116 which is part of the laser cavity 106 is p-doped.

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.The n-type region 112 is with a metal contact 118 provided by a supply line 120 can be supplied with an operating voltage. Also the p-conductive area 114 . 116 is by means of an annular contact structure 122 contacted by means of a supply line 124 can be supplied with voltage.

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.The structure of the contacts is in the in 2 clearly visible top view. An insulator area 126 separates the contact 122 from the supply line 120 , The insulator layer 126 extends, as in the plan view of 2 can be seen, even outside the annular contact structure on the surface of the semiconductor laser diode 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.The 3 and 4 show alternative embodiments of semiconductor laser diodes extending from the semiconductor laser diode 100 of the 1 and 2 differ in that as the substrate, an SOI substrate is used. In the 3 and 4 Reference numerals are used which correspond to those of 1 correspond. Only of the embodiment of 1 deviating structural elements are provided with new reference numerals. Modified, but in their function elements of the laser diode of the 1 corresponding structure elements are identified by a high-line.

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.The semiconductor laser diode 300 of the 3 differs from the semiconductor laser diode 100 in that is in a depth range, which is at the lower edge of the reinforcement area 104 connects, a buried oxide layer 130 is arranged. Between the lower edge of the buried oxide layer 130 and the buried mirror layer 110 is located in its thickness correspondingly reduced p-type silicon region 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.The laser diode 400 of the 4 is different from the laser diode 300 of the 3 in that the buried oxide layer in the depth direction directly adjoins the n-conductive region 112 borders.

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.Both alternative laser diodes based on an SOI substrate 300 and 400 have during operation of the laser diode has the advantage that the range of motion of the injected by the applied operating voltage in the gain region charge carriers in the depth direction is reduced, so no charge carriers in the substrate area 116 can diffuse. This increases the efficiency of the laser diode in comparison with the embodiment of FIG 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.In another, not shown embodiment, the buried Oxide layer (it can also be an insulator material other than silicon dioxide Find use) itself as a mirror layer, so on the formation of a separate separate mirror layer in the substrate can be waived. This additionally simplifies the structure.

Claims (9)

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.VCSEL type semiconductor laser diode having - one Silicon substrate, - one laser cavity made of silicon or silicon germanium, which differs from a main surface of the Extending silicon substrate starting from inside the substrate, and as resonator end faces a first mirror layer on the intended for the light emission substrate surface and a buried second mirror layer in the silicon substrate; - one in the laser cavity arranged reinforcement area made of crystalline silicon or silicon germanium, which is structural Defects of his crystal lattice and these are localized a variety of electronic Contains multi-level systems, by carrier injection respectively suitable charge carrier density are excitable in the active area - for spontaneous emission of Light and - when Entirety in one for the optical amplification of the light stimulated by Emission of suitable population inversion state; and with - lateral the reinforcement area on opposite sides Side adjacent and oppositely conductive semiconductor regions Silicon or silicon germanium used for carrier injection into the reinforcement area suitably doped and with electrically conductive contacts for applying one for the charge carrier injection suitable operating voltage are provided. Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, bei der die strukturellen Defekte Versetzungen sind.A semiconductor laser diode according to claim 1, wherein said structural defects are dislocations. Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, bei der die strukturellen Defekte stabförmige Defekte sind.A semiconductor laser diode according to claim 1, wherein said structural defects rod-shaped Defects are. Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, bei der die strukturellen Defekte mit Sauerstoff-Präzipitaten gefüllt sind.A semiconductor laser diode according to claim 1, wherein said structural defects are filled with oxygen precipitates. Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, bei der die strukturellen Defekte die für eine der bekannten D-Band-Emissionen im Silizium verantwortlichen strukturellen Defekte sind.A semiconductor laser diode according to claim 1, wherein said structural defects for one of the known D-band emissions in silicon structural responsible Defects are. 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.Semiconductor laser diode according to one of the preceding Claims, where the gain area is the Shape of a cylinder, and in which a first semiconductor region the oppositely conductive semiconductor regions also cylindrical is, however, of smaller radius than the reinforcement area, and differs from the topside Center of the reinforcement area from in the direction of the substrate interior, at least along a section the central axis of the reinforcing area formed cylinder extends. Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, bei der die erste oder zweite Spiegelschicht eine Bragg-Reflektorstruktur bildet.A semiconductor laser diode according to claim 1, wherein said first or second mirror layer forms a Bragg reflector structure. Halbleiterlaserdiode nach Anspruch 1, bei der die erste oder zweite Spiegelschicht eine Sauerstoff-Präzipitate enthaltende Siliziumschicht ist.A semiconductor laser diode according to claim 1, wherein said First or second mirror layer, an oxygen precipitate containing silicon layer is. 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.A semiconductor laser diode according to claim 1, wherein said Silicon substrate is a silicon-on-insulator substrate used to substrate surface towards the reinforcement area containing silicon layer and the substrate interior to the reinforcing area adjacent to a buried insulator layer, wherein the buried second Mirror layer in a direction to the substrate interior to the insulator layer adjacent silicon layer is arranged.
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