NL8301745A

NL8301745A - Halfgeleiderinrichting.

Info

Publication number: NL8301745A
Application number: NL8301745A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1983-05-17
Filing date: 1983-05-17
Publication date: 1984-12-17
Also published as: EP0125738A1; DE3465224D1; EP0125738B1; JPS59219977A; US4603340A

Description

t t ΕΗΝ 10677 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Half geleider inrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een halfgeleiderinrichting net een half geleider lichaam dat is voorzien van een superrooster dat afwisselend lagen van een indirect halfgeleidermateriaal AIII-BV en lagen van een. nengkristal (alloy) van ditzelfde materiaal waarin een van de 5 elementen A en B gedeeltelijk is vervangen door een evenwaardig e- lement C omvat, waarbij het superrooster, althans in een richting dwars op de grensvlakken tussen de lagen, ten gevolge van zone-vouwing een directe bandovergang vertoont.

Zoals bekend spreekt men van een directe overgang wanneer 10 in de K-ruimte het minimum van de geleidingsband boven het maximum van de valentieband (/ -punt) ligt. Wanneer deze extremen ten opzichte van elkaar zijn verschoven, is de overgang indirect. Directe overgangen zijn in het bijzonder (maar niet uitsluitend) van belang voor halfgeleider lasers. Bij een directe overgang is de wisselwerking electron-15 photon een tweedeeltjes probleem waardoor de overgangswaarschijnlijkheid voor de overgang van een elektron van een hoog naar een laag niveau relatief hoog is. Bij een indirecte overgang wordt deze overgangswaarschijnlijkheid door een driedeeltjes wisselwerking (electron-photon-phonon) bepaald en is daardoor in het algemeen zo laag dat ma-20 terialen met een dergelijke overgang vcor lasers niet bruikbaar zijn.

Het bekendste en meest gebruikte halfgeleidermateriaal voor lasers is GaAs dat een directe overgang heeft. Bij een bandaf-stand van 1.42 eV vordt door GaAs, straling in het infrarood uitgezonden. Voor veel toepassingen is echter straling met een kortere golflengte 25 gewenst. Door een fractie X van het Ga te vervangen door Al is het veliswaar mogelijk bij GaAs de golflengte te verlagen tot in het rode (bijna infra-rood) gebied. Qtdat de fractie X aan een limiet is gebonden (0.45) waarboven het materiaal een indirecte band-overgang vertoont, zoals puur AlAs, is deze methode niet geschikt om korte golflengten 30 te verkrijgen. AlAs heeft op zichzelf een geschikte bandafstand (2 eV, overeenkomend met 1 a 590 nm in vacuüm) maar heeft een indirecte bandovergang.

In het artikel "A GaAs P1 /GaP strained layer superlattice" X I Λ 8301745 I · PHN 10677 2 van G.C. Osbourn et al in Appl. Phys. Lett. 41 (2), 15 July 1982, pagina's 172/174, is een superrooster beschreven niet afwisselend 6,0 nm dikke lagen van GaAs^P^ _χ en 6,0 nm dikke-dagen van GaP, materialen die beide op zichzelf indirect zijn. Door de superroosterconfiguratie 5 kan, zoals in de publicatie is aangegeven, door zone-vouwing een directe overgang verkregen worden. De bovengenoemde materialen zijn zodanig gekozen dat, ten gevolge van het verschil in roosterconstanten, en de daardoor veroorzaakte rek (strain) in het kristalrooster veranderingen in de energiebanden optreden. Een dergelijke configuratie heeft het 10 bezwaar dat zovel bij als na het epitaxiaal aangroeien van de lagen gemakkelijk fouten kunnen worden geïntroduceerd in het kristalrooster.

Het doel van de onderhavige uitvinding is onder meer een halfgeleiderinrichting aan te geven met een superroosterstructuur waarin door zone-vouwing een directe overgang aanwazig is, welke half-15 gelèiderinrichting op eenvoudiger wijze is te vervaardigen.

Een dergelijke halfgeleiderinrichting is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat het element C en de concentratie hiervan zodanig zijn gekozen dat de lagen, althans in een richting evenwijdig aan de grensvlakken, praktisch gelijke roosterconstanten hebben ên dat 20 de som van de dikten van twae opeenvolgende lagen in het superrooster ten hoogste ongeveer 5.0 nm. bedraagt.

Doordat de roosterconstanten van de verschillende lagen praktisch aan elkaar gelijk zijn, wordt het aanbrengen van de lagen onder vermijding van roosterfouten aanzienlijk vereenvoudigd. De son 25 van de dikten van twae opeenvolgende lagen bedraagt hoogstens ongeveer 10 eenheidscellen.

Een belangrijke voorkeursuitvoering is daardoor gekenmerkt dat de eerste lagen van AlAs en de tweede lagen van Al Ga As zijn waarbij 0<” x ζ 0.3.

30 De uivinding zal nader warden toegelicht aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden en de bijgaande schematische tekening waarin:

Fig. 1 een dwarsdoorsnede van een halfgeleider laser volgens de uitvinding weergeeft; 35 Fig. 2 op vergrote schaal een deel van de inrichting volgens Fig. 1 weergeeft;

Fig. 3 de bandenstruktuur toont van AlAs waarvan

Fig. 4 schematisch de kristalstruktuur weergeeft; 8301745

Y

ΡΗΝ 10677 3

Fig. 5 en Fig. 7 bandenstrukturen tonen van superroosters waarvan:

Fig. 6 en Fig. 8 schematisch de kristalstrükturen weergeven. Fig. 1 geeft schematisch een dwarsdoorsnede van een halfge-5 leiderlaser volgens de uitvinding, omvattende een halfgeleiderlichaam 1 met thee gebieden 2 en 3 van tegengestelde geleidingstypen. Deze gebieden zijn voorzien van aansluitingen 4 resp. 5 voor het toevoeren van elektrische stroom. Tussen de gebieden 2 en 3 is een aktieve laag 6 gedefinieerd voor het opdekken c.q. het versterken van elektro-10 magnetische straling die schematisch door de pijl 7 is aangegeven.

De resonator kan, zoals bij half geleider lasers gebruikelijk is, gevormd worden door de zijvlakken 8 en 9 van het halfgeleiderlichaam.

Fig. 2 toont op vergrote schaal een deel van de actieve laag 6. Deze laag is niet uniform, maar wordt gevormd door een 15 superrooster met een groot aantal deellagen 6A en 6B. De deellagen 6A, ongearceerd weergegeven, zijn in het onderhavige uitvoerings-voorbeeld, van AlAs en de gearceerd weergegeven lagen 6B van een mengkristal (alloy) met de samenstelling Al. Ga As, waarbij 0^x^0.45. In deze samenstelling heeft het mengkristal praktisch 20 dezelfde roosterconstante als AlAs, zodat het optreden van spanningen en rek in het superrooster wordt vermeden. De dikten van de lagen 6A en 6B wordt zodanig gekozen dat de som van de dikte van een deel-laag 6A en een aangrenzende deellaag 6B ten hoogste ongeveer 5 nm. bedraagt. De lagen 6A en 6B kunnen op, op zichzelf bekende wijzen, bij-r 25 voorbeeld door middel van MBE (molecular beam epitaxy) worden aangebracht.

De wijze waarop door middel van een dergelijk superrooster een directe band-bandovergang kan worden verkregen - hoewel AlAs en

Al^Ga^As beiden indirect zijn - zal worden toegelicht aan de hand van 3Q de figuren 3-5. In Fig. 4 is schematisch het kristalrooster van zuiver

AlAs getekend in de £ 100^ en [oio] richting. Elke stip stelt een eenheidscel voor. Fig. 3 geeft het bandenschema voor zuiver AlAs. Op de horizontale as is de K-vector uitgezet en op de verticale as de energie (in eV). De tekening geeft de eerste Brillouinzone voor de va- 35 lentieband 11 en de geleidingsband 12 weer. De Brillouinzone wordt be- 'fr lï* grensd door de punten k =+— enk = —- waarbij a de rooster-

m a m a J

constante is. De valentieband 11 heeft een maximum bij k=0, d.w.z. in het centrum van de Brillouinzone ( f*-punt). De geleidingsband heeft 8301745 PHN 10677 4 ï een minimum aan de rand van de Brillouinzone, bij een energie van n ongeveer 2.2-eV. In het / -punt is de energie van de geleidingsbard ongeveer 2.8 eV.

Fig. 6 geeft (schematisch) de kristalstructuur van een super-5 rooster volgens de uitvinding veer. De zwarte stippen stellen veer een-heidscellen van AlAs (deellagen 6A) voor, de witte stippen stellen Al. Ga As eenheidacellen voor. In het schema volgens Fig. 6 wisselen deellagen 6A met een dikte van (gemiddeld) 1 eenheidscellaag AlAs en deellagen 6B met een dikte van (gemiddeld) 1 eenheidscel Al Ga As

1 "X X

10 elkaar af (monomoleculaire deellagen). Deze configuratie heeft een roosterconstante a, die ongeveer 2 x zo groot is als de oorspronkelijke roosterconstante van AlAs. De randen van de Brillouinzone liggen nu op ry r ^ k. = -r- en k = --— zie fig. 5. De delen van de Brillouinzone ra 2a m 2a^ ψ 3 ^ in Fig. 3 die tussen — en — en tussen - ~ en - liggen, 15 en in Fig. 5 met gestippelde lijnen (van de geleidingsband) zijn weergegeven, worden naar binnen geklapt of opgevouwen zoals door kurve 13 is weergegeven. Het minimum van de geleidingsband op 2.2 eV aan de rand van de oorspronkelijke Brillouinzone wordt nu verplaatst naar het centrum van de Brillouinzone in k=0. De valentieband die in Fig. 5 20 niet meer is weergegeven omdat het maximum niet van plaats verandert, wordt op dezelfde wijze opgevouwen. Door deze zonevouwing (of zonefolding) komt het minimum van de geleidingsband boven het maximum van de valentieband. Het materiaal is nu direct geworden wat wil zeggen dat overgangen tussen geleidingsband en valentieband zonder phono-uitwisseling mogelijk 25 iS*

Fig. 8 geeft een variant van de hier beschreven methode ter verkrijging van een directe overgang in AlAs. De periode in het kristal wordt nu niet verdubbeld maar verviervoudigd door telkens een laag van 2 eenheidscellagen AlAs af te wisselen met 2 eenheidscellagen 30 ^ΐ-χ^χ^ zoals i*1 Fi9· 8a is weergegeven. Het minimum van de geleidingsband blijft, evenals het maximum van de valentiebaM liggen in het /"""T —— / -punt. De randen van de Brillouinzone liggen op k =7- en k = - -JL. De delen van de kurven in Fig. 5 diê buiten de Brillouin-zone liggen, worden weer naar binnen gevouwen, waardoor de in Fig. 7 getekende banden-35 structuur wordt verkregen. Fig. 8b geeft een andere manier ter verkrijging van de in Fig. 7 getoonde bandenstructuur waarbij deellagen 6A van 3 eenheidscellagen van AlAs worden afgewisseld door deellagen 6B van 1 eenheidscellaag van Al. Ga As. Het minimum van de geleidingsband blijft boven

ITX X

8301745 FHN 10677 5 * » het maximum van de valentieband, zodat directe overgangen net Λ K=0 mogelijk zijn.

De roosterconstante a van de hier gebruikte materialen -1 bedraagt 5.66.10 nm. Bij een totale dikte van ongeveer 5 nm bedraagt 5 het totale aantal elementaire cellagen in het subrooster ten hoogste ongeveer 10. Dergelijke dunne lagen hebben belangrijke voordelen t.o.v. dikkere lagen. Enerzijds is het mogelijk het aantal subcellen in het superrooster zeer groot te maken omdat voor een bandenstructuur een zeer gröot aantal (vergrote) eenheidscellen nodig is. Wanneer dit aantal te 10 klein is, kunnen de energiebanden in discrete niveau's worden opgedeeld, zodat bijvoorbeeld in de quantum-kuil-laser het geval is. Anderzijds wordt voorkoren dat in de sub-cellen van het superrooster locale bandenstructuren worden gedefinieerd. Bovendien kan bij steeds groter wordende sub-cellen in het superrooster de, toch al grote effectieve massa van 15 elektronen in het oorspronkelijk indirecte miniinum, nog groter warden door het openen van bandenovergangen aan de rand van de Brillouin sub-zone.

Behalve voor lasers, kan de hiervoorgestelde superrooster-structuur ook voor andere toepassingen, zoals transistoren,worden toe-20 gepast. Ook kunnen superroosters met andere AIII-BV-materialen, dan het hierbeschreven AlAs, worden vervaardigd.

Met de hier beschreven superroosterstructuur kunnen ook z.g. "Quantum-kuil-lasers" worden vervaardigd door een aantal dunne aktieve lagen van de hier beschreven configuratie, afgewisseld door 25 tussenliggende barriêre-lagen aan te brengen.

30 35 8301745

Claims

1. Half gele ader inrichting net een half geleider lichaam dat: is voorzien van een superrooster dat afwisselend lagen van een indirect halfgeleidermateri aal A III - B V en lagen van een mengkristal (alloy) van. ditzelfde materiaal waarin een van de elementen A en B gedeeltelijk 5 is vervangen door een evenwaardig element C omvat, waarbij het superrooster, althans in een richting dwars op de grensvlakken tussen de lagen, ten gevolge van zone-vouwing een directe bandovergang vertoont, met het kenmerk dat het element C en de concentratie hiervan zodanig zijn gekozen dat de lagen, althans in een richting evenwijdig aan de grens-10 vlakken praktisch gelijke roosterconstanten hebben en dat de som van de dikten van twee opeenvolgende lagen in het superrooster ten hoogste ongeveer 5.0 nm. bedraagt.

2. Half geleider inrichting volgens conclusie 1, met het kennerk, dat de deellagen gevormd worden door lagen met een dikte van een 15 eenheidscellaag.

3. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de deellagen elk een dikte hebben van twee eenheidscellagen.

4. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de eerste deellagen een laagdikte van drie eenheidscellagen en de 20 tweede lagen een dikte van een eenheidscellaag bevatten.

5. Halfgeleiderinrichting volgens een of meer van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de eerste lagen van AlAs en de tweede lagen van Al.. Ga As zijn waarbij 0/x<O.45. I X

6. Halfgeleiderinrichting volgens een of meer van de voorgaande 25 conclusies, met het kenmerk, dat het superrooster de actieve laag van een halfgeleiderlaser vormt.

7. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 6 met het keniterk dat de laser gevormd wordt door een quantumkuillaser met een aantal dunne aktieve lagen afgewisseld door barriêrelagen waarbij de aktieve 30 lagen elk een superroosterconfiguratie volgens een van de conclusies 1-5 hebben. 35 8301745