DE69119124T2 - Quaternäres II-VI-Halbleitermaterial für photonische Bauelemente - Google Patents

Quaternäres II-VI-Halbleitermaterial für photonische Bauelemente

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Description

  • Die Erfindung betrifft photonische Elemente bzw. photonoptische Bauelemente, die eine quarternäre II-VI-Gruppen- Legierung aus der Quarternärgruppe II-VI beinhalten.
  • Die US-Patentschrift 3 982 261, herausgegeben am 21. September 1976, G. Antypas, offenbart eine Epitaxialschicht einer quarternären III-V-Legierung aus Ga, In, As und P, die Bestandteile aufweist, die proportioniert sind für ein Gitter, das an ein Substrat angepaßt ist, das eine Gitterkonstante aufweist, die innerhalb des Bereichs 0.545 (nm) bis 0.605 (nm) liegt. Die Legierungsbestandteile sind derart proportioniert, daß eine gewählte Engergielücke innerhalb eines Bereiches zwischen 2.23 bis 0.35 eV liegt, welche den Wellenlängen 0.55 bis 3.5 µm entspricht, vorgesehen ist.
  • Gegenwärtig verfügbare Halbleiterlaserdioden, die im sichtbaren Spektrum ausstrahlen, basieren typisch auf dem III-V quarternären InGnAlP. Jedoch ist die Wellenlänge dieser Laser nicht kleiner als ungefähr 0.67 µm (rot).
  • Gegenwärtig verfügbare lichtaussendende Dioden (LEDs) basieren auf den III-V ternären GaAlAs oder GaAsP. Diese LEDs strahlen bereits rote Wellenlängen mit hoher Helligkeit und Effizienz aus, können jedoch bestimmte gelbe und grüne Wellenlängen nur mit relativ geringer Effizienz erreichen. Diese geringe Effizienz bei Wellenlängen kürzer als im roten resultieren daher, daß die Emission bei diesen kürzeren Wellenlängen auf einer Störstellen-zu-Band Rekombination und nicht auf einer Band-zu-Band Rekombination basiert. Daher können konventionelle LEDs, die auf ternären III-V-Material basieren, blaue Wellenlängen weder ausstrahlen noch erreichen.
  • Verschiedene farbige LEDs haben jedoch viele Anzeigeanwenungen, insbesondere in Autos und Flugzeugen, in denen die Helligkeit wichtig ist. Halbleiterlaser mit kurzen Wellenlängen würden in optischen Datenspeichersystemen äußerst nützlich sein, um die Informationsdichte zu erhöhen, die umgekehrt proportional zum Quadrat der optischen Wellenlänge ist. Auch könnten Rot-, Grün- und Blau-Lasertriaden für eine Großbildschirmabbildung für das hochauflösende Fernsehsystem (HDTV) verwendet werden. Eine weitere Anwendung der Laser mit kurzen Wellenlängen, wie z.B. einem Blau-Grün-Laser, ist die eines Signalträgers für Unterwasserkommunikationen. Andere Anwendungen, sowohl im Kommerziellen als auch im Militärischen sind weiterhin durchführbar.
  • Detektoren für ultraviolette (UV) und sichtbare Strahlung sind ebenso bedeutsame Anwendungen wie die UV- und sichtbaren brennpunktsebenen Felder. Beispielsweise ist die UV-Bildgebung wichtig für einige Rundsicht- und Spurführungsanwendungen. Sichtbare Multifarbbildgeber, die zu bestehenden Hochleistungs-Silikon basierenden, ladungsgekoppelten Bildgebern (SiCCDs) konkurrieren, sind ebenso Anwendungen.
  • Eine photon-optische Bauelement, die die Merkmale des ersten Teils des Anspruchs 1 aufweist, ist aus der JP-A-59 172 280 bekannt. Ein Doppel-Hetero-Junktions(bzw. Übergangs)- Injektionslasers, der die Merkmale des ersten Teils des Anspruchs 10 aufweist, ist aus der US-A-3 982 261 bekannt.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein photon-optisches Bauelement bereitzustellen, das es erlaubt, Strahlung bei einer Wellenlänge innerhalb des gesamten sichtbaren Bereiches zu emittieren oder zu detektieren und einen Doppel- Heteroübergangs-Injektionslaser bereitzustellen, der in einem aktiven Bereich eine II-VI-Gruppen quarternäre Legierung aufweist.
  • Mit der Erfindung sind eine quarternäre II-VI-Gruppenlegierung für die Nutzung in photon-optischen Geräten, die direkte Band-zu-Band-Emission innerhalb des sichtbaren Spektrums zeigen, eine II-VI-Gruppen quarternäre Legierung aus Hg,Zn,S,Se, die innerhalb des sichtbaren Spektrums vom violetten bis zum roten, d.h. innerhalb eines Wellenlängenbereiches von ungefähr 750 nm bis ungefähr 390 nm emittiert, eine II-VI-Gruppen quarternäre Legierung aus Hg,Zn,Se,Te, die innerhalb des Spektrums vom grünen bis zum fernen Infrarot, d.h. innerhalb eines Wellenlängenbereiches von ungefähr 0,5 µm bis ungefähr 20 µm und eine II-VI-Gruppen-Quarternärlegierung, die Hg,Cd,Zn und 5 aufweist, vorgesehen.
  • Mit einem photonischen Bauelement und einem Doppel- Heteroübergangs-Injektionslaser mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 10 sind die vorangegangenen Schwierigkeiten überwunden und die Aufgabe der Erfindung gelöst.
  • Beispiele eines quarternären II-VI-Gruppenmaterials sind eine Legierung (1) aus Hg, Zn, S, Se und eine Legierung aus (2) Hg,Zn,Se,Te. Das quarternäre Material HgZnSSe, das gitterangepaßt ("Lattice-matched") zu ZnSe oder GaAs, und das quarternäre Material HgZnSeTe, das gitterangepaßt ist zu ZnTe oder GaSb, sind in der Entwicklung von photon-optischen Bauelementen wie z.B. Lasern, LEDs und Detektoren, die für die Nutzung über einen weiten Wellenlängenbereich geeignet sind, eingesetzt. Die Energielücke der Hgznsse-Legierung ist zu variieren, um eine Emission über das gesamte sichtbare Spektrum zu erreichen. Die HgZnSeTe-Legierung emittiert innerhalb des Spektrums vom grünen bis zum fernen infraroten.
  • Ein zusätzliches Beispiel eines quarternären II-VI-Gruppenmaterials beinhaltet das nachfolgende.
  • (3) Eine Legierung aus Hg, Cd, Zn und S, von der angenommen wird, daß sie eine Energielücke bzw. Energiebandlücke aufweist, die den sichtbaren Spektralbereich umfaßt.
  • Die photon-optischen Elemente beinhalten einen Bereich, der eine quarternäre II-VI-Gruppenlegierung aufweist und ein Substrat, das eine charakteristische Gitterkonstante hat und wenigstens eine Epitaxialschicht, die im wesentlichen aus einer quarternären II-VI-Gruppenlegierung besteht, mit einer Zusammensetzung, die derart ausgewählt ist, daß sie im wesentlichen gitterangepaßt ist zur Epitaxialschicht des Substrats.
  • Der Doppelheteroübergangs (heterojunktions) -Injektionslaser beinhaltet (1) ein Substrat; (2) eine erste Hüllen- bzw. Hüllenschicht (dadding layer), die das Substrat bedeckt, und die ein binäres oder ein ternäres II-VI-Gruppenmaterial aufweist mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeitsart; (3) ein aktiver Bereich, der eine quarternäre II-VI-Gruppenlegierung aufweist und die erste Hüllenschicht bedeckt; und (4) eine zweite Hüllenschicht, die den aktiven Bereich überdeckt und ein binäres oder ein ternäres II-VI-Gruppenmaterial aufweist mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeitsart.
  • Das obige wird fortgesetzt und weitere Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung deutlich, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird. In diesen zeigen:
  • Fig. 1 ist ein Bandlückenenergie(Eg)-Diagramm, das Eg gegenüber dem Gitterparameter für eine bestimmte binäre II-VI-Komponente (Hg,Zn) (S, Se) und für GaAs darstellt, wobei Verbindungslinien eine lineare Interpolation für ternäre oder quarternäre Legierungen von mittleren Zusammensetzungen anzeigen;
  • Fig. 2 ist ein Bandlückenenergie-Diagramm, das Eg gegenüber dem Gitterparameter für bestimmte binäre II-VI- Komponenten (Hg,Zn) (Se,Te) und für GaSb aufträgt, wobei Verbindungslinien eine lineare Interpolation für ternäre und quarternäre Legierungen der mittleren Zusammensetzung anzeigen;
  • Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Ansicht- nicht im Maßstab - eines Doppelheteroübergangs-Injektionslasers, der quarternäres II-VI-Gruppenmaterial beinhaltet; und
  • Fig. 4 ist eine Seitenansicht - nicht im Maßstab - eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Doppelheteroübergangs-Injektionslasers, der eine Multiquantentrog ("Quantum well")-Aktivschicht umfaßt, die ein quarternäres II-VI-Gruppenmaterial beinhaltet.
  • Es werden nun quarternäre Legierungen, die aus der II-VI- Gruppe der periodischen Tabelle der Elemente ausgewählt sind, dazu bezugnehmend als II-VI-Gruppenmaterial oder als II-VI- Material beschrieben. Diese quarternären Legierungen werden für die Herstellung von photon-optischen Bauelementen, wie z.B. Laserdioden und LED'S, mit Wellenlängen, die das gesamte sichtbare Spektrum von violetten zu roten, als auch zu infraroten Wellenlängen umspannen, als geeignet gezeigt. Diese photon-optischen Bauelemente funktionieren eher durch direkte Band-zu-Band Rekombination als durch Störstellen-zu-Band- Rekombination und erreichen somit größere Effizienz und Helligkeit als konventionelle Bauelemente. Wie in diesem Zusammenhang genutzt, umfassen photon-optische Bauelemente solche Elemente, die elektromagnetische Energie aussenden, detektieren oder modifizieren. Beispiele solcher Bauelemente umfassen Laser, LED'S, Fotodetektoren, die Felder von photovoltaischen oder fotoleitenden Einrichtungen beinhalten, und nicht lineare optische Bauelemente.
  • Figur 1 ist ein Bandlückenenergiediagramm, bei dem Eg gegenüber dem Gitterparameter für binäre II-VI-Komponenten, die (Hg,Zn) (S,Se) aufweisen, und für GaAS aufgetragen sind. Figur 2 ist ein Bandlückenenergiediagramm, bei dem Eg gegenüber dem Gitterparameter für binäre II-VI-Gruppenkomponenten, die (Hg,Zn) (Se,Te) aufweisen und für GaSb aufgetragen sind. In beiden Figuren 1 und 2 zeigen die Verbindungslinien eine lineare Interpolation der Gitterparameter für ternäre oder quarternäre Legierungen einer mittleren Zusammensetzung an.
  • Wie in den Diagrammen der Figuren 1 und 2 gesehen werden kann, sorgen die quarternären Halbleiterlegierungen für eine Variation der Energiebandlücke, während der konstante Gitterparameter beibehalten wird. Hg(1-x)ZnxS(1-y)Sey ist ein quarternäres Direkt-Bandlückenmaterial, das geeignet ist für photon-optische Anwendungen, wobei Hg(1-x)ZnxS(1-y)Sey Bestandteile aufweist, die variiert werden, so daß ein konstanter Gitterparameter gleich dem von ZnSe oder GaAs beibehalten wird. Eine zweite interessante quarternäre Legierung ist Hg(1-x)ZnxSe(1-y)Tey die hinsichtlich der Energiebandlücke das Spektrum vom grünen bis zum fernen infraroten überspannt, Hg(1-x)ZnxS(1-y)Sey weist Bestandteile auf, die variierbar sind, so daß ein konstantes Gitterparameter gleich dem von ZnTe oder GaSb beibehalten wird. Für diese letztere quarternäre Legierung sind GaAs-Substrate ebenso zur Nutzung geeignet, indem eine zwischenliegende ZnTe-Pufferschicht guter Qualität auf GaAs-Substraten herangezogen werden kann, wie dies durch W.L.Ahlgren, S.M. Johnson, E.J. Smith, R.P. Ruth, C.Johnson, M.H. Kalisher, C.A. Cockrum, T.W. James, und D.L. Arney, in J.Vac. Sci. Technol. A7, 331 (1989) beschrieben ist.
  • Weitere Beispiele quarternäre II-VI-Gruppenmaterialien beinhalten das folgende:
  • Eine Legierung aus bzw. mit Zn,S,Se und Te weist eine Energiebandlücke im Spektralbereich vom gelben zum blauen auf, bei einem festgelegten Gitterparameter, der gleich dem ist von GaAs. Diese Legierung hat ein Kation und drei Anionen und weist die Zusammensetzungsformel auf: ZnS(1-x-y)SexTey.
  • Ein Bandlückenenergiediagramm für diese Legierung basiert auf den drei binären Komponenten ZnS, ZnSe und ZnTe.
  • Eine Legierung aus Zn,Mn,S und Se weist eine Energiebandlücke in dem spektralen Bereich vom blauen zum ultravioletten auf, bei einem festgelegten Gitterparameter, der im wesentlichen gleich dem ist von GaAs. Jedoch wird von dieser Legierung angenommen, daß sie Änderungen in der Art der Gitterstruktur mit zunehmenden Mn-Inhalt zeigt, welches den nützlichen Bereich der Energielücken begrenzen dürfte. Diese Legierung hat die Zusammensetzungsformel: Zn(1-x)MnxS(1-y)Sey. Ein Bandlückenenergiediagramm für diese Legierung basiert auf den vier binären Komponenten ZnS, MnS,ZnSe und MnSe.
  • Von einer Legierung aus Hg, Cd, Zn und S wird angenommen, daß diese den sichtbaren Spektralbereich hinsichtlich der Energielücke überspannen, es wird jedoch auch davon ausgegangen, daß Änderungen in der Art der Gitterstruktur für verschiedene Zusammensetzungen gezeigt werden. Diese Legierung hat ein Anion und drei Kationen und weist die Zusammensetzungsformel auf: Hg(1-x-y)CdxZnyS.
  • Ein Bandlückenenergiediagramm für diese Legierung basiert auf den drei binären Komponenten HgS, CdS und ZnS.
  • In den vorangegangenen Beispielen weisen x und y jeweils einen Wert auf, der größer als 0 und kleiner als 1 ist zur Bestimmung der Bestandteile der Legierung. Die Werte für x und y sind derart ausgewählt, daß im wesentlichen die Gitter der quarternären Legierung passend zu den Substraten sind, wobei die Werte für x und y ebenfalls die Emissions- und Absorptionswellenlänge der Leqierung bestimmen. Insbesondere bezüglich photovoltaischer Strahlungsdetektoren ist in dieser Hinsicht das Bauelement mit einem p-n-Übergang bzw.mit einer p- n-Vebindung, einer Schottky-Barriere oder einem Iso-Typ- Heteroübergang ausgelegt. Zum Beispiel bildet HgS oder HgSe eine Seite des Übergangs bzw. der Verbindung und Hg(1-x)ZnxS(1-y)Sey die andere, so daß ein n-n-Isotyp-Hetero-übergang geschaffen ist, der auf Strahlung mit einer durch die Werte von x und y bestimmten Wellenlänge anspricht.
  • Wie in diesem Zusammenhang verwendet, wird ein Material als gitterangepaßt ("lattice-matched") zu einem anderen Material wie z.B. einem Substrat angesehen, wenn der Grad der Gitteranpassung ausreichend ist, um eine Schnittstellen- Versetzungs-Oberflächendichte auf einen Wert zu reduzieren, der im wesentlichen einen nicht signifikanten Einfluß auf die Leistung des Bauelementes hat. Ein typischer Wert für die Anpassung bzw. Übereinstimmung von Gitterkonstanten ist 0,5 %, obgleich der tatsächliche Wert vom Bauelement und der Anwendung abhängt.
  • Geeignete Substratmaterialien beinhalten (sind jedoch nicht darauf begrenzt) ZnSe, ZnSSE, ZnTe, GaAs, GaSb, InP, Si, Saphir (Al&sub2;O&sub3;) und Kombinationen dieser Materialien, wie z.B. ZnSe oder GaAs, die auf Si (ZnSe/Si, GaAs/Si) gewachsen/gezüchtet sind und das zuvor genannte ZnTe, das auf GaAs (ZnTe-GaAs) gewachsen ist.
  • Ein gegenwärtig bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der quarternären II-VI-Gruppen-Legierung geschieht durch eine Metall-organische chemische Dampfabscheidung (MOCVD), insbesondere eine photon-unterstützte MOCVD, obgleich die Molekularstrahlepitaxie (MBE), metallorganische Molekurlarepitaxie (MOMBE) und die Dampfphasenepitaxie (VPE) ebenfalls geeignet sind. Die photon- bzw. lichtgestützte MOCVD ist ein gegenwärtig bevorzugtes Herstellverfahren, da es von relativ geringen Temperaturen begleitet wird, um die Entstehung nativer Punktdefekte in dem Halbleiter zu mindern.
  • Ein bedeutsamer Aspekt in der Herstellung von photonoptischen Bauelementen mit Breit-Energie-Bandlücken-Material, das quarternäres II-VI-Gruppenmaterial beinhaltet, ist die Dotierung des Materials. Eine anerkannte Schwierigkeit zum Erreichen bipolar dotierter binärer Materialien wie z.B. hochleitfähiges p-Typ ZnSe und/oder hochleitfähiges n-Typ ZnTe, hat zuvor die Anwendung von diesen und anderen Breitbandlücken II-VI Gruppenmaterialien begrenzt.
  • Eine Lösung für dieses Problem wird von Y. Marfaing in den "Proceedings of NATO Advanced Research Workshop on the Future of Small-Gap Semiconductors", Liége, Belgien, Sept.5-9, 1988, vorgeschlagen. Marfaing folgert, daß die Erzeugung von Trägern im Nichtgleichgewicht in einem Halbleiter, der mit einer äußeren Gasphase in Berührung ist, eine Veränderung der Konzentration der durch Austausch zwischen den zwei Phasen geschaffenen Gitterdefekte herbeiführen kann. Wenn die Gesamtkonzentration von Freistellen vermindert werden kann (wie in dem Artikel beschrieben), wird ein jeglicher die Freistellen betreffender Ausgleichsprozeß weniger aktiv werden, und wird schlußendlich unterdrückt werden. Als Ergebnis kann eine starke elektrische Aktivität der Dotierungsunreinheiten erreicht werden. In diesem Zusammenhang sind die Nicht- Gleichgewichts-Einfügungsprozesse, die eine Dotierung unter Lichtanregung beinhalten, durch Marfaing beschrieben.
  • In der US-Patentanmeldung S.N. 07/434,642 des gleichen Anmelders, die am 9. November 1989 eingereicht wurde und betitelt ist mit "Reactor for Laser-Assisted Chemical Vapor Deposition", beschreibt W.L. Ahlgren eine Bauelement und ein Verfahren zur Ausführung eines epitaktischen Schichtwachstums mit laser-gestütztem CVD. Das System sorgt für geringe Wachstumstemperaturen und dotiert ein II-VI-Gruppenmaterial von einem metallorganischen Reaktionspartner. Um die Lichtanregung der wachsenden Schicht in einer Weise wie von Marfaing vorgeschlagen, zu erreichen, ist ein zweiter Lichtstrahl von einem Argon-Ionenlaser oder einer HgXe Bogenlampe senkrecht zum Substrat, auf dem das Epitaxialschichtwachstum geschieht, gerichtet. Der Dopant bzw. Dotierungsstoff wird in den Reaktor eingeleitet und in die wachsende Halbleiterschicht eingefügt. Um z.B. ein p-Typ ZnSe zu schaffen, ist Stickstoff ein bevorzugter Dopant. Natrium und Lithium dürften ebenso geeignet sein, obgleich von Lithium angenommen wird, interstitiell zu sein, und auch eine unakzeptierbar hohe Diffusionsrate zu haben. Eine n-Typ-Dotierung von ZnSe kann mit Gallium ausgeführt werden.
  • Ein weiterer Weg zur Ausbildung von ZnSe des p-Typs ist durch T. Yasuda, I. Mistuishi, und H. Kukimoto in einem Artikel, der den Titel trägt "Metal-Organic VPE of Low Resistivity p- type ZnSe", Appl. Phys. Lett., Vol. 52, pp. 57-59, (1988) beschrieben. In diesem Fall wird Li&sub3;N als Dopant verwendet und es ist angenommen, daß Li auf Zn lokalisiert (LiZn) und Stickstoff auf Se lokalisiert (Nse) beide aktive Akzeptorarten sind.
  • Delta-dotierte Strukturen, die auf HgZnSSE und HgZnSeTe basieren, sind ebenfalls durch die Erfindung umfaßt. Zum Beispiel ist die Delta-Dotierung in einem Artikel von F. Quiang, Lee, A.V. Nurmikko, L.A. Kolodziejski, und R.L. Gunshor, Phys. Rev. B 39, 3173 (1989) beschrieben.
  • Im allgemeinen umfassen die Faktoren, die die Eignung der Dopanten bzw. Dotierungsstoffe beeinflussen, die Lösungsfähigkeit, den Modus der Einfügung, das Energieniveau und die Diffusivität. Die Lösungsfähigkeit in einem Mutter- bzw. Empfängergitter muß das erforderliche Dotierungsniveau (z.B. 10¹&sup8; cm &supmin;³ bis 10 ¹&sup9; cm &supmin;³) überschreiten. Der Modus der Einfügung bezieht sich auf zwei Merkmale: (a) die Störstellenart bzw. Defektart bzw. -Probe entspricht dem auflösenden Dopant (d.h. interstitiell, substituierend am Kationenplatz, oder substituierend am Anionenplatz) und (b), für geladene Defekte bzw. Störstellen, die Hauptkompensierung, oder umgekehrt geladene Defektart bzw. -Probe. Beide dieser Merkmale sind typischerweise abhängig von den Bedingungen der Präparation, wie die Temperatur und der II-Gruppenelementdampfdruck. Ein für den Dopant wünschenswerter Modus der Zusetzung bzw. Einfügung führt zu einer eindeutigen, vorzugsweise substituierenden Defektart bzw. -Probe und wird ladungskompensiert durch einen freien Träger. Der freie Träger ist ein Elektron im Leitungsband bei Donoren oder eine Lücke bzw. ein Loch im Valenzband des Akzeptors. Das Energieniveau des Dopant ist vorzugsweise flach bzw. gering, d.h. innerhalb ein paar kT der passenden Bandkante, wobei k die Boltzmannsche Konstante und T die Temperatur ist. Wenn das Energieniveau zu tief ist, wird die Probe bzw. Art des Dotierungsstoffes nicht bei Raumtemperatur ionisiert und wird somit die Leitfähigkeit des Kristalls nicht erhöhen. Schließlich sollte die Diffusivität der Dotierungsart nicht nur Raumtemperatur sondern auch bei der Wachstumstemperatur niedrig sein, so daß Dotierungsprofile festgelegt und beibehalten werden können. Interstitielle Arten, wie z.B. das oben erwähnte Lithium sind im allgemeinen als Dotierungsstoffe ungeeignet, da sie hohe Diffusionsraten aufweisen.
  • Figur 3 ist eine schematisch perspektivische Ansicht (nicht im Maßstab) eines Doppelheteroübergangs-Injektionslasers (double heterojunction injection laser) mit einem Substrat 12, einer unteren Hüllen- bzw. Hüllenschicht 14, einer Aktivschicht 16, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein quarternäres II-VI-Gruppenmaterial aufweist, und eine obere Hüllen- bzw. Hüllenschicht 18. Elektrische Anschlüsse, die mit der unteren und der oberen Hüllenschicht 14 und 18 gekoppelt sind, verbinden den Laser 10 mit einer elektrischen Anregungsquelle, bezeichnet als V&spplus; und V&supmin;.
  • Detaillierter ist das Substrat 12 in einer teilweise abgeschnittenen Weise dargestellt, wobei dieses z.B. GaAs umfaßt, obgleich andere Substratmaterialien wie z.B. die oben genannten ebenso eingesetzt werden könnten. Die untere Hüllen- bzw. Hüllenschicht 14 hat eine Dicke von ungefähr 1 bis 2 µm (microns) und weist ZnS(1-y)Sey, auf, die Bestandteile werden während des Wachstums bzw. der Züchtung festgelegt, derart, daß die untere Hüllen- bzw. Hüllenschicht 14 zum Substrat 12 Gitterangepaßt (bzw. "lattice matched") ist. Die untere Hüllen- bzw. Hüllenschicht 14 wird während der lasergestützten MOCVD-Ablagerung mit z.B. Galhum dotiert und wird photoangeregt während der Ablagerung bzw. Deposition, um die Gesamtkonzentration an Leerstellen zu vermindern und somit jegliche Ausgleichsprozesse, die Leerstellen bewirken, verhindert sind. Das n-Typ Dotierungsniveau der unteren Hüllenbzw. Hüllenschicht 14 beträgt ungefähr 10¹&sup8; cm&supmin;³ bis ungefähr 10¹&sup9; cm&supmin;³.
  • Die Aktivschicht 16 ist im wesentlichen homogen und weist ein II-VI-Gruppenquarternär Hg(1-x)ZnXS(1-y)Sey mit einer Dicke von ungefähr 0,2 µm (microns) auf. Die Werte für X und Y sind während des Epitaxialwachstums bzw. der Metaxialzüchtung festgesetzt, um den Eg-Wert derart anzupassen, daß die gewünschte Ausgangswellenlänge innerhalb des roten bis violetten Spektrums erhalten wird, und so daß ebenso die Aktivschicht 16 zum Substrat 12 gitterangepaßt ist. Die Aktivschicht 16 darf als im wesentlichen undotiertes oder als relativ leicht dotiertes Material relativ zur Hüllenschicht 14 bei einer Konzentration von ungefähr 10¹&sup5; cm&supmin;³ vorgesehen sein.
  • Die obere Hüllen- bzw. Hüllenschicht 18 weist eine Dicke von ungefähr 1 bis 2 µm (microns) auf und ist aus einem ZnS(1-y)Sey gebildet, die Bestandteile sind derart, daß die obere Hüllenschicht 18 zu dem Substrat 12 gitterangepaßt (lattice matched) ist. Die obere Hüllen- bzw. Hüllenschicht 18 wird während der lasergestützten MOCVD-Ablagerung mit z.B. Stickstoff dotiert und ist ebenso photo-angeregt bzw. lichtangeregt während der Deposition um die Gesamtkonzentration an Leerstellen wie zuvor beschrieben, zu vermindern. Das p- Typdotierungsniveau der oberen Hüllen- bzw. Hüllenschicht 18 beträgt z.B. auch ungefähr 10¹&sup8; cm&supmin;³ bis ungefähr 10¹&sup9; cm&supmin;³.
  • Wie nun klar wird, beinhaltet der Laser 10 einen ersten Heteroübergang ("Heterojunction") 14a und einen zweiten Heteroübergang 18a und funktioniert durch direkte Band-zu-Band- Rekombination als ein Doppelheteroübergangsinjektionslaser mit einer vorbestimmten Strahlausgangswellenlänge (A) vom roten bis zum violetten Spektrum. Andere Verfahrensschritte wie das Spalten bzw. Schlitzen und das Verspiegeln passender Oberflächen des Lasers 10 werden in konventioneller Weise ausgeführt.
  • Figur 4 ist eine Seitenansicht (nicht im Maßstab) eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Doppelheteroübergangsinjektionslasers nach Figur 3. Der Laser beinhaltet eine multiquantentrogaktive Schicht 16' mit eingefügtem quaternären II- VI-Gruppenmaterial, wobei die Aktivschicht 16' zwischen der Hüllenschicht 14 und 18 wie oben beschrieben dazwischenliegt. Das Substrat 12 ist in Figur 4 nicht dargestellt. Die Aktivschicht 16' umfaßt eine Vielzahl von Halbleiterschichtpaaren 16a und 16b. Die Schicht 16a ist aus dem quarternären II-VI- Gruppen-Material Hg(1-x)ZnXS(1-y)Sey gebildet und weist eine Dicke in der Größenordnung von 10 nm auf. Die Werte für x und y werden während der Züchtung bzw. des Wachstums festgelegt, um den Eg-Wert anzupassen, derart, daß die gewünschte Ausgangswellenlänge im Spektrum zwischen dem roten und violetten erhalten wird und daß die Schichten 16a zum Substrat 12 Gitterangepaßt sind. Die Schicht 16b weist ein ZnSe oder ZnSSe auf und hat ebenso eine Dicke in der Größenordnung von 10 nm.
  • Zusätzlich sind ZnSe-HgS und ZnTe-HgSe Supergitter ("superlattices") Alternativen zu homogenen Quarternärlegierungen als Materialien für photonoptische Anwendungen. Das bedeutet, der Laser von Figur 4 wird mit Hüllenschichten wie zuvor beschrieben, versehen, jedoch weist der aktive Bereich 16' abwechselnd Schichten von den binären Komponenten ZnSe- HgS oder ZnTe-HgSe auf. Zum Beispiel weist die Schicht 16a ein ZnSe und die Schicht 16b ein HgS auf. In diesem Fall werden die Dicken der Schichten 16a und 16b während der Züchtung bzw. des Wachstums angepaßt, um die gewünschte Gitterkonstante für die Gitteranpassung an das Substrat zu erreichen und auch um die gewünschte Emissionswellenlänge zu erreichen.
  • Weiterhin sind durch die Erfindung Multilayer bzw. Vielschicht II-VI-Gruppenstrukturen abgedeckt, die Supergitter mit verspannten Schichten ("strained-layer superlattices") beinhalten, welche mit einer Modulations-Dotierung versehen sind. Die Modulations-Dotierung ist in den Aufsätzen von J.W. Han, S. Hwang, Y. Lansan, R.L. Harper, Z. Yang, N.C. Giles, J.W. Cook, Jr., J.F. Schetzina, S. Sen, Appl. Phys. Lett. 54, 63 (1988) beschrieben.
  • Hochtemperaturdurchführung von II-VI-Gruppenquarternären Legierungen ist mit Großenergiebandlücken, die in II-VI- Gruppenmaterial verfügbar sind, kompatibel. Hochgeschwindigkeitsgeräte wie z.B. Heteroübergangs- bzw. Heterojunctions- FETs profitieren ebenfalls von der niedrigen effektiven Elektronenmasse, und daher der hohen Mobilität, bei den II-VI- Gruppenmaterialien schmaler Bandlücken gekoppelt mit dem großen Steuerspannungsbereich ("Swing"), der durch die Nutzung eines II-VI-Gruppenmaterials breiter Bandlücke verfügbar gemacht wird. Dadurch daß breites-Bandlücken-II-VI-Material auf GaAs epitaxial gezüchtet werden kann, steht ebenfalls eine Möglichkeit zur Herstellung von Hybrid-II-VI/III-V- Hochgeschwindigkeitsapparatstrukturen.
  • Quaternäre Legierungen des II-VI-Gruppenmaterials können ebenfalls als Basis für eine integrierte optoelektronische Schaltungstechnologie dienen. Zusätzlich zu den oben erwähnten Lichtaussendern und Detektoren erfordert eine derartige Technologie optische Schalter und Zwischenverbindungen wie Wellenleiter. Diese Komponenten nützen nichtlineare optische Effekte und eine Brechungsindexkontrolle.

Claims (12)

1. Photon-optisches Bauelement, das einen Bereich, der eine quarternäre II-VI-Gruppen-Legierung und ein Substrat, das diesen Bereich trägt, aufweist, wobei das Substrat eine charakteristische Gitterkonstante aufweist, und wobei die Zusammensetzung der quarternären II-VI-Gruppen-Legierung derart ausgewählt ist, daß der Bereich mit dem Substrat im wesentlichen gitterangepaßt ist, und daß der Bereich mit einer Energiebandlücke versehen ist, die zu einer spezifischen Wellenlänge gehört, dadurch gekennzeichnet, daß die quarternäre II- VI-Gruppen-Legierung Hg als einen atomaren Bestandteil beinhaltet.
2. Photon-optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die quarternäre II-VI Gruppen-Legierung Hg(1-x)ZnxS(1-y)Sey beinhaltet, wobei x und y jeweils einen Wert größer als 0 und kleiner als 1 haben.
3. Photon-optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die quarternäre II-VI-Gruppen-Legierung Hg(1-x)ZnxS(1-y)Tey beinhaltet, wobei x und y jeweils einen Wert größer als 0 und kleiner als 1 haben.
4. Photon-optisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die quarternäre II-VI-Gruppen-Legierung Hg(1-x-y)CdxZnyS beinhaltet, wobei x und y jeweils einen Wert größer als 0 und kleiner als 1 haben.
5. Photon-optisches Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Material aufweist, das aus der Gruppe, die aus GaAs und ZnSe besteht, ausgewählt ist.
6. Photon-optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Material aufweist, das aus der Gruppe bestehend aus ZnTe, GaAs und GaSb und Kombinationen davon ausgewählt ist.
7. Photon-optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich eine homogene epitaktische Schicht umfaßt.
8. Photon-optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich eine Vielzahl von epitaktischen Schichten, die als eine Multischichtstruktur angeordnet sind, umfaßt.
9. Photon-optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Wellenlänge innerhalb des sichtbaren Spektrums liegt.
10. Doppel-Heteroübergangs-Injektionslaser mit: einem Substrat (12); einer ersten Hüllenschicht (14), die über dem Substrat (12) liegt, wobei die erste Hüllenschicht (14) aus einem binären oder ternären II-VI-Gruppen-Material mit einem ersten Typ der elektrischen Leitfähigkeit gebildet ist; und einer zweiten Hüllenschicht (18), die aus einem binären oder ternären II-VI-Gruppen-Material mit einem zweiten Typ der elektrischen Leitfähigkeit gebildet ist, wobei ein aktiver Abschnitt (16) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Abschnitt (16) über der ersten Hüllenschicht (14) liegt, daß der aktive Abschnitt (16) eine quarternäre II-VI- Gruppen-Legierung mit Hg als einem atomaren Bestandteil aufweist; und daß die zweite Hüllenschicht (18) über dem aktiven Abschnitt (16) liegt.
11. Doppel-Heteroübergangs-Injektionslaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) eine charakteristische Gitterkonstante aufweist, und wobei die quarternäre II-VI-Gruppen-Legierung Hg(1-x)ZnxS(1-y)Sey beinhaltet, wobei x und y jeweils einen Wert größer als 0 und kleiner als 1 zur Gitteranpassung des aktiven Abschnitts zum Substrat (12) und auch zur Festlegung der Energiebandlücke der quarternären II- VI-Gruppen-Legierung haben, derart, daß die Legierung elektromagnetische Strahlung mit einer charakteristischen Wellenlänge innerhalb des Wellenlängenbereiches vom roten Licht zum violetten Licht emittiert.
12. Doppel-Heteroübergangs-Injektionslaser nach einem der Ansprüch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Abschnitt (16,16') eine im wesentlichen homogene epitaktische Schicht aufweist.
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