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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell das Gebiet der Herstellung
von Halbleiter-Lasern, insbesondere solcher Halbleiter-Laser, die
durch Abspaltung von einem größeren Halbleiter-Kristall
(Barren) hervorgehen und demzufolge Spaltkanten aufweisen, die die
Resonator-Endflächen
des Halbleiter-Lasers
bilden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich dabei insbesondere
auf einen Halbleiter-Laser mit passivierten Resonator-Endflächen und
ein Verfahren zur Passivierung der Resonator-Endflächen von
Halbleiter-Lasern.
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Zunächst wird
die konventionelle Herstellung der Halbleiter-Laser anhand der 1a, b
näher erläutert.
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In
der 1a ist ein einzelner Halbleiter-Laser perspektivisch
dargestellt. Der Halbleiter-Laser weist einen Rippenwellenleiter 4 auf,
um einmodigen Laserbetrieb mit hoher Strahlqualität der emittierten Laserstrahlung
zu ermöglichen.
In der 1b ist ein Halbleiterstreifen
(Laserbarren) dargestellt, der eine Vielzahl von Halbleiter-Lasern 3 enthält. Die
vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Halbleiter-Laser mit Rippenwellenleiterstruktur
beschränkt,
sondern kann prinzipiell für
jede Art von Halbleiter-Lasern verwendet werden.
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Die
Herstellung erfolgt im Wesentlichen in drei Schritten. Erstens wird
eine Laserstruktur durch epitaktische Beschichtung eines Halbleiter-Kristalls hergestellt.
Zweitens wird die Laserstruktur lithographisch prozessiert und mit
Kontaktmetall versehen. Drittens werden die Laserspiegel durch Spalten
des Kristalls entlang der [110]-Kristallachsen (bei polaren Verbindungshalbleitern)
erzeugt. Durch diesen Spaltvorgang wird auch die Resonatorlänge des
Lasers festgelegt, der durch zwei gegenüberliegende Spaltflächen 5 begrenzt
ist, welche als Spiegel dienen. Der Spaltvorgang liefert einen Halbleiterstreifen
(Laserbarren), der eine Vielzahl von Laserdioden enthält. Die
Laserdioden können
aus vorstrukturierten Streifen 4 bestehen, die nebeneinander
auf dem Laserbarren (2a) angeordnet
sind. Die einzelnen Laserdioden 3 können dann von dem Laserbarren
abgespalten werden.
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Eine
geeignete Passivierung der Resonator-Endflächen des Halbleiter-Lasers
macht sich in einer signifikanten Erhöhung der Lebensdauer des Halbleiter-Lasers
bei hoher optischer Ausgangsleistung bemerkbar. Die Wirkungsweise
der Passivierung ist auf das Problem zurückzuführen, dass die Oberfläche von
Halbleiter-Kristallen Defekte aufweist, die von ungesättigten
Oberflächenbindungen und
von Oxiden und Verunreinigungen stammen, welche in der Atmosphäre gebildet
werden. Während des
Betriebs der Laserdiode führen
diese Oberflächendefekte
zur Absorption des Laserlichts und zur nichtstrahlenden Rekombination
von Ladungsträgern aus
der aktiven Zone des Lasers auf der Oberfläche an der Spaltkante, die
zugleich als Spiegelfläche
des Lasers dient. Folglich erwärmt
sich die Spiegelfläche, wodurch
bei hoher optischer Leistungsdichte eine plötzliche Zerstörung der
Laserdiode ausgelöst
wird. Dieser Effekt wird in der Literatur auch als katastrophale
Spiegelzerstörung
(„catastrophic
optical mirror damage")
beschrieben. Durch Passivierung kann die Dichte der Oberflächendefekte
durch teilweise Absättigung
der Oberflächenbindungen
reduziert werden. Zugleich kann eine Oxidation und Verunreinigungen
verhindert werden.
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Bisher
bekannt gewordene Verfahren für
die Passivierung der Resonator-Endflächen bieten entweder keinen
vollständigen
Schutz vor katastrophaler optischer Spiegelzerstörung oder aber sie erhöhen die
optischen Verluste im Resonator.
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Die
Druckschrift
DE
10 2004 037 191 A1 beschreibt ein Halbleiter-Bauelement
mit einer Passivierungsschicht und ein Ver fahren zu seiner Herstellung,
wobei das Halbleiter-Bauelement den Verbindungs-Halbleiter AlGaInAsSb
enthält
und die Passivierungsschicht den Verbindungs-Halbleiter AlGaAsSb
enthält.
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Die
Druckschrift
DE 100
48 475 C2 beschreibt die Passivierung der Resonatorendflächen von
Halbleiter-Lasern auf der Basis von III-V-Halbleiter-Material, wobei
auf mindestens eine äußere Oberfläche eines
Halbleiter-Lasers, welche eine Resonatorendfläche bildet, eine Passivierungsschicht des
Verbindungs-Halbleiters InGaAsP epitaktisch aufgebracht ist.
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Es
ist demgemäß Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, einen Halbleiter-Laser mit erhöhter Lebensdauer
und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben. Insbesondere
besteht die Aufgabe darin, die Gefahr der katastrophalen optischen
Spiegelzerstörung
bei extrem hoher Dichte der optischen Lichtleistung des Halbleiter-Lasers
zu reduzieren oder vollständig
zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung geht von der wesentlichen Erkenntnis aus, dass eine einzelne
Passivierungsschicht auf einer Resonator-Endfläche der Bedingung genügen muss,
dass ihr Material selbst bei der Laserwellenlänge nicht absorbiert. Sie muss
daher eine größere Bandlücke aufweisen
als das Material des Halbleiter-Lasers. Falls sie aus einem Halbleitermaterial
hergestellt ist, bedeutet dies jedoch, dass sie in Abhängigkeit
des Materials im Volumen eine größere Gitterkonstante
als das Material des Halbleiter-Lasers oder dessen laseraktive Schicht
aufweist. Das gitterfehlangepasste Aufwachsen einer derartigen Schicht
führt jedoch
ab einer bestimmten Schichtdicke zu Kristallfehlern an der Grenzschicht und
damit zu Absorptionszentren. Bei einer einzelnen Volumen-Passivierungsschicht
muss demnach ein Kompromiss zwischen der Absorption durch derartige
Absorptionszentren und der Bandkanten-Absorption des Materials der
Passivierungsschicht gesucht werden. Ein optimales Resultat hinsichtlich
der Absorptionseigenschaften kann mithin nicht erreicht werden.
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Die
erfindungsgemäße Lösung sieht
vor, anstelle einer einzelnen Volumen-Passivierungsschicht mehrere
Schichten auf die Resonator-Endfläche des Halbleiter-Lasers aufzubringen,
die jeweils eine Schichtdicke unterhalb der elektronischen Wellenlänge der
Ladungsträger
aufweisen. Bei geeigneter Wahl der Schichtmaterialien und der Schichtdicken kann
damit eine Bandlücke
bereitgestellt werden, die größer ist
als die Bandlücke
des Halbleiter-Lasers, sodass keine Bandkanten Absorption bei der
Emissionswellenlänge
vorliegt. Gleichzeitig können
die Schichtmaterialien so gewählt
werden, dass die mittlere Gitterkonstante der Mehrfachschichten
der Gitterkonstante des Materials des Halbleiter-Lasers im Wesentlichen
entspricht, sodass keine Gitterfehlanpassung beim Aufwachsen der
Mehrfachschichten vorliegt oder die Schichtdicke ist so gering,
dass die Gitterfehlanpassung nicht zu Kristalldefekten und damit
Absorptionszentren führt.
Das Schichtsystem kann somit als Halbleiter-Übergitter aus Schichten mit
abwechselnd hoher und niedriger Bandlücke ausgebildet sein. Insbesondere
kann die Gitterfehlanpassung so eingestellt werden, dass die Bandkante des
Halbleitermaterials von Schichten innerhalb des Schichtpaketes durch
Zug- oder Druckspannung erhöht
wird.
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Die
Erfindung bezieht sich somit auf einen Halbleiter-Laser mit einer
Resonator-Endfläche
und einem auf der Resonator-Endfläche aufgebrachten Halbleiter-Übergitter.
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Die
Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf einen Halbleiter-Laser
mit einer Resonator-Endfläche
und einem auf der Resonator-Endfläche aufgebrachten Halbleiter-Übergitter-Schichtsystem, welches
Schichten mit einer Schichtdicke unterhalb 20 nm, insbesondere unterhalb
15 nm, insbesondere unterhalb 10 nm aufweist.
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Wie
allgemein bekannt ist, treten in einem Halbleiter-Übergitter gemäß der Erfindung
Quantisierungseffekte in den Halbleiterschichten auf. In einer Halbleiterschicht
mit einer relativ niedrigen Bandlücke, welche zwischen zwei Halbleiterschichten
mit einer relativ hohen Bandlücke
eingeschlossen ist, bildet sich eine Potentialtopfstruktur mit einzelnen quantisierten
Energieniveaus aus.
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Der
Halbleiter-Laser kann auf der Basis eines III-V-Halbleitermaterials hergestellt sein.
In diesem Fall können in
dem Halbleiter-Übergitter
Schichten enthalten sein, welche eine Zusammensetzung Inx1Alx2Ga1-x1-x2AsyP1-y mit 0 ≤ x1 ≤ 1, 0 ≤ x2 ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 aufweisen.
Die Wahl der Parameter x1, x2 und y bestimmt somit die stöchiometrische
Zusammensetzung der einzelnen Schichten und diese bestimmt deren
Bandlücken
und Gitterkonstanten. Durch geeignete Wahl eines ersten Satzes von
Parametern x1, x2 und y können
somit erste Schichten des Halbleiter-Übergitters gebildet werden,
welche jeweils eine erste, relativ große Bandlücke und eine erste Gitterkonstante
aufweisen, und es können
durch geeignete Wahl eines zweiten Satzes von Parametern von x1,
x2 und y zweite Schichten des Halbleiter-Übergitters gebildet werden,
welche jeweils eine zweite, relativ kleine Bandlücke und eine zweite Gitterkonstante
aufweisen. Die Parameter sind so zu wählen, dass die erste Bandlücke der
ersten Schichten größer ist
als die Bandlücke
der laseraktiven Schicht des Halbleiter-Lasers und die Schichtdicke der
zweiten Schichten ist so zu wählen,
dass der Abstand zwischen den ersten Quantisierungsniveaus für Elektronen
und Löcher
in den zweiten Schichten größer als
die Bandlücke
der laseraktiven Schicht des Halbleiter-Lasers ist. Wenn diese Voraussetzungen
erfüllt
sind, so findet keine Bandkanten-Absorption bei der Emissionswellenlänge des
Halbleiter-Lasers statt. Die zweite Bandlücke kann dabei auch niedriger
sein als die Bandlücke
der laseraktiven Schicht. Zusätzlich
können
die Parameter so gewählt werden,
dass eine gute Gitteranpassung erreicht wird. Beispielsweise können die
erste Gitterkonstante der ersten Schichten und die zweite Gitterkonstante
der zweiten Schichten im arithmetischen Mittel an die Gitterkonstanten
der laseraktiven Schicht und der diese einschließenden Deckschichten weitgehend gitterangepasst
sein bzw. beispielsweise der Gitterkonstante der laseraktiven Schicht
oder dem arithmetischen Mittel der Gitterkonstanten der laseraktiven
Schicht und der unmittelbar angrenzenden Deckschichten entsprechen
oder nur um einen vorgegebenen Betrag davon abweichen.
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Es
sollte dabei die Differenz zwischen der ersten Bandlücke der
ersten Schichten und der zweiten Bandlücke der zweiten Schichten mindestens kB·T
= 25 meV betragen, da unterhalb davon in den die Potentialtopfstrukturen
bildenden zweiten Schichten keine elektronische Quantisierung stattfindet.
In der Praxis liegt diese Differenz zumeist deutlich höher.
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Es
kann ferner vorgesehen sein, dass die unmittelbar auf der Resonator-Endfläche aufgebrachte Schicht
des Halbleiter-Übergitters
eine der ersten Schichten ist, sodass diese Schicht eine größere Bandlücke aufweist
als die laseraktive Schicht des unmittelbar angrenzenden Halbleiter-Lasers.
Dies hat den Vorteil, dass an der Grenzfläche zum Halbleiter-Laser eine
elektronische Barriere für
Elektronen und Löcher
gebildet wird. Die Höhe
dieser elektronischen Barriere hängt
von der Differenz zwischen der Bandlücke der laseraktiven Schicht
des Halbleiter-Lasers und der ersten Bandlücke der ersten Schichten ab
und die Dicke der elektronischen Barriere hängt von der Schichtdicke dieser
Schicht ab. Die elektronische Barriere kann verhindern, dass Ladungsträger aus
dem Halbleiter-Laser auf die Oberfläche der äußersten Schicht des Halbleiter-Übergitters
gelangen und dort nichtstrahlend rekombinieren.
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Es
kann ferner vorgesehen sein, dass das Halbleiter-Übergitter
eine äußerste Schicht
enthält, welche
eine Zusammensetzung InxGa1-xAsyP1-y mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 aufweist.
Diese Zusammensetzung ist so gewählt,
dass sie kein Aluminium enthält, da
Materialzusammensetzungen mit Aluminium bekanntermaßen leicht
oxidieren und somit eine hohe Dichte von Oberflächen-Absorptionszentren aufweisen
können.
Somit kann die Oberflächen-Rekombination
von Ladungsträgern
verhindert oder zumindest erschwert werden.
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Im
Folgenden wird ein einziges Ausführungsbeispiel
anhand der Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1a,
b eine schematische, perspektivische Darstellung eines Halbleiter-Lasers
(a) und eine schematische, perspektivische Darstellung eines Halbleiterstreifens;
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2 eine
schematische, perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Lasers;
und
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3 eine
elektronische Bandstruktur eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Lasers.
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In
der 2 ist ein Ausführungsbeispiel
für einen
erfindungsgemäßen Halbleiter-Laser
schematisch in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Der Halbleiter-Laser 13 entspricht
in seinem wesentlichen Aufbau einem bereits in Verbindung mit der 1a eingangs
erläuterten
Halbleiter-Laser 3, wobei auch die Herstellung wie eingangs
in Verbindung mit den 1a, 1b erläutert erfolgen
kann. Der Halbleiter-Laser 13 weist
somit in nicht-einschränkender
Weise einen Rippenwellenleiter 14 auf. Der Halbleiter-Laser 13 weist
des Weiteren Resonator-Endflächen 15 auf,
von denen nur die in der Darstellung auf der rechten Seite befindliche
Resonator-Endfläche mit
einem entsprechenden Bezugszeichen versehen ist. Die gegenüberliegende,
auf der linken Seite vorhandene Resonator-Endfläche ist mit einem Schichtsystem 16 versehen,
welches als Passivierungsschicht auf die Resonator-Endfläche aufgebracht
ist. Ein identisches oder ähnliches
Schichtsystem kann gleichermaßen
auch auf die rechtsseitige Resonator-Endfläche 15 aufgebracht
sein.
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Das
Schichtsystem 16 ist ein Halbleiter-Übergitter und weist im dargestellten
Ausführungsbeispiel
eine Anzahl von vier Schichten auf. Diese vier Halbleiterschichten
können
epitaktisch, vorzugsweise durch Molekularstrahl-Epitaxie, auf die Resonator-Endfläche aufgebracht
sein.
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Der
Halbleiter-Laser 13 kann beispielsweise auf der Basis eines
III-V-Materialsystems, insbesondere auf der Basis von GaAs oder
AlGaAs aufgebaut sein. Das Schichtsystem 16 kann Schichten
mit einer Zusammensetzung enthalten, wobei 0 ≤ x1 ≤ 1, 0 ≤ x2 ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 sind. Die Schichten können erste Schichten
mit einer relativ großen
Bandlücke,
welche größer als
die Bandlücke
der laseraktiven Schicht des Halbleiter-Lasers 13 ist,
und zweite Schichten mit einer zweiten Bandlücke, welche kleiner als die Bandlücke der
ersten Schichten ist, enthalten. Die Schichtdicken sowohl der ersten
als auch der zweiten Schichten liegen unterhalb von 20 nm, beispielsweise
unterhalb 15 nm, weiter beispielsweise unterhalb von 10 nm, insbesondere
in einem Bereich zwischen 1,5 bis 8 nm, so dass die zweiten Schichten
Potentialtopfstrukturen bilden, in denen quantisierte Energieniveaus
für Elektronen
und Löcher
entstehen.
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Da
beispielsweise die Bandlücke
der ersten Schichten größer ist
als die Bandlücke
des Halbleiter-Lasers 13 bzw. der laseraktiven Schicht
des Halbleiter-Lasers 13 und die Bandlücke zwischen den ersten Quantisierungsniveaus
für Elektronen
und Löcher
der zweiten Schichten größer als
die Bandlücke des
Halbleiter-Lasers 13 bzw. der laseraktiven Schicht des
Halbleiter-Lasers 13 ist, findet keine Bandkanten-Absorption
bei der Emissionswellenlänge
des Halbleiter-Lasers 13 statt. Gleichzeitig können jedoch
die Materialien der ersten und zweiten Schichten so gewählt sein,
dass die mittlere Gitterkonstante der Materialien der ersten und
zweiten Schichten der Gitterkonstante des Materials des Halbleiter-Lasers 13 oder
einer gemittelten Gitterkonstante aus der laseraktiven Schicht und
den Deckschichten entspricht, sodass die Passivierungsschicht an
den Halbleiter-Laser gitterangepasst ist. Die Parameter x1, x2 und
y können
in geeigneter Weise gewählt
werden, sodass die obigen Bedingungen zutreffen.
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Die äußerste epitaktische
Schicht, d. h. die zuletzt gewachsene Schicht des Schichtsystems kann
dabei typischerweise eine Schicht mit einer Zusammensetzung InxGa1-xAsyP1-y mit 0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 sein, sodass
in der äußersten
Schicht kein Aluminium enthalten ist, da dieses bekanntermaßen eine
hohe Dichte von Oberflächen-Absorptionszentren
aufweist.
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Die
unmittelbar auf die Resonator-Endfläche aufgewachsene erste epitaktische
Schicht kann beispielsweise eine der definitionsgemäß ersten
Schichten des Schichtsystems sein und somit eine größere Bandlücke aufweisen
als das Halbleitermaterial des Halbleiter-Lasers 13 bzw.
dessen laseraktive Schicht. Zusätzlich
kann diese erste Schicht etwas dicker sein als die übrigen Schichten.
Beides zusammen führt
dazu, dass eine ausreichende elektronische Barriere für Elektronen
und Löcher
gebildet wird, um zu vermeiden, dass Ladungsträger aus dem Halbleiter-Laser
in das Schichtsystem oder etwa bis zu der äußersten Schicht des Schichtsystems
vordringen können.
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In
der 3 ist eine Leitungs- und Valenzbandstruktur eines
weiteren Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Lasers
dargestellt. Die obere Hälfte
des Bildes zeigt den Leitungsbandverlauf, während die untere Hälfte den
Valenzbandverlauf zeigt. Beide Verläufe sind über eine Ortskoordinate aufgetragen,
welche senkrecht zu der Ebene der Schichten verläuft. Es lassen sich somit drei
verschiedene Bereiche unterteilen. In einem linksseitigen Teilbereich
befindet sich der Halbleiter-Laser 13, wobei die Bandstruktur
sich auf die laseraktive Schicht des Halbleiter-Lasers 13 bezieht. Die
Bandlücke
in diesem Bereich ist mit EG1 bezeichnet.
In einem rechtsseitigen Teilbereich befindet sich Luft, wobei hier
die entsprechenden Vakuumniveaus des Leitungs- und Valenzbands eingezeichnet
sind. In einem mittleren Teilbereich befindet sich das (Passivierungs-)Schichtsystem 16.
Dieses weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier Teilschichten
auf, welche unterschiedliche Bandlücken und unterschiedliche Gitterkonstanten
besitzen. Zwei erste Schichten 16.1 und 16.3 weisen
eine erste Bandlücke
EG2 auf, welche größer als die Bandlücke EG1 der laseraktiven Schicht ist. Zwei zweite
Schichten 16.2 und 16.4 weisen hingegen eine Zusammensetzung auf,
die eine Bandlücke
EG3.1 aufweist, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel
niedriger als die Bandlücke
EG1 der laseraktiven Schicht ist. Da jedoch
die zweiten Schichten 16.2 und 16.4 durch die
gegebene Struktur eines Halbleiter-Übergitters als Potentialtopfstrukturen
ausgebildet sind, können
Elektronen und Löcher
in diesen Schichten nur bestimmte quantisierte Niveaus annehmen,
die in der Darstellung der 3 durch
gestrichelte Linien gekennzeichnet sind. Im vorliegenden Fall ist
jeweils nur ein quantisiertes Niveau vorhanden und die Energielücke zwischen den
quantisierten Niveaus ist mit EG3.2 bezeichnet, welche
größer ist
als die Bandlücke
EG1 der laseraktiven Schicht.
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Die
Schichtdicken können
beispielsweise derart gewählt
sein, dass die Schichtdicke der Schicht 16.1 3 nm beträgt, die
Schichtdicke der Schicht 16.2 3 nm beträgt, die Schichtdicke der Schicht 16.3 3
nm beträgt
und die Schichtdicke der Schicht 16.4 3 nm beträgt. Es können selbstredend auch
mehr als 4 Schichten in dem Schichtsystem enthalten sein.
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Die
Schicht 16.1 bildet somit eine Barriere für Elektronen
und Löcher,
um zu verhindern, dass Elektronen und Löcher aus der laseraktiven Schicht
in das Schichtsystem 16 gelangen und gegebenenfalls an
der Oberfläche
der äußersten
Schicht 16.4 rekombinieren und damit auf der Oberfläche nichtstrahlend rekombinieren
und somit die Schicht aufheizen, wodurch wiederum die Bandkante
bis zur Absorption des Laserlichtes reduziert werden könnte.
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Die
Materialien des Ausführungsbeispiels der 3 können entsprechend
den bezüglich
des Ausführungsbeispiels
der 2 genannten Materialien gewählt werden. Es kann dabei vorgesehen
sein, dass die ersten Schichten 16.1 und 16.3 eine
identische Materialzusammensetzung aufweisen und dass ebenso die
zweiten Schichten 16.2 und 16.4 eine identische
Materialzusammensetzung aufweisen. Die Parameter x1, x2 und y sind
dann so zu wählen, dass
die Energielücken
EG2 und EG3.2 größer als
die Energielücke
EG1 der laseraktiven Schicht ist. Die Differenz
zwischen der Energielücke
E2 und EG3.1 muss mindestens
25 meV betragen, damit sich in den zweiten Schichten 16.2 und 16.4 Quantisierungsniveaus ausbilden.
Die Energielücke
EG3.1 kann anders als im dargestellten Ausführungsbeispiel
auch größer als die
Energielücke
EG1 sein.
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Die äußerste Schicht 16.4 kann
eine andere Materialzusammensetzung als die Schicht 16.2 aufweisen.
Insbesondere kann sie als eine aluminiumfreie Schicht ausgebildet
sein und die Materialzusammensetzung InxGa1-xAsyP1-y mit
0 ≤ x ≤ 1 und 0 ≤ y ≤ 1 aufweisen.
Damit ist sichergestellt, dass im Wesentlichen keine Oberflächen-Absorptionszentren durch
Aluminium vorhanden sein können.