DE102011103143A1

DE102011103143A1 - Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium

Info

Publication number: DE102011103143A1
Application number: DE102011103143A
Authority: DE
Inventors: Adam Bauer; Sven Hoefling; Lukas Worschech
Original assignee: Julius Maximilians Universitaet Wuerzburg
Current assignee: Nanoplus Nanosystems and Technologies GmbH
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2031-05-26
Also published as: DE102011103143B4; US20120300804A1; US8681830B2

Abstract

Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium mit einem Verstärkerbereich (V) umfassend einen Lochquantenfilm (1) aus einem ersten Halbleitermaterial und einen Elektronenquantenfilm (2) aus einem zweiten Halbleitermaterial, sowie mit einem Elektronenkollektorbereich (K) und mit einem darauf folgenden Elektroneninjektorbereich (I), wobei der Elektronenkollektorbereich (K) wenigstens einen durch eine erste Barrierenlage (3) abgetrennten Kollektorquantenfilm (4) aus einem dritten Halbleitermaterial und der Elektroneninjektorbereich (I) wenigstens einen durch eine zweite Barrierenlage (3) abgetrennten Injektorquantenfilm (5) aus einem vierten Halbleitermaterial umfasst. Dabei ist vorgesehen, dass das erste Halbleitermaterial des Lochquantenfilms (1) ein III-V-Mischungshalbleiter aus wenigstens vier Elementen ist, wobei wenigstens zwei der Elemente ausgewählt sind aus Ga, In und Al, und wobei wenigstens zwei der Elemente ausgewählt sind aus As, Sb, P und N. Das Verstärkermedium zeigt eine effiziente Laseremission bei Wellenlängen oberhalb von 2,5 μm.

Description

Die Erfindung betrifft ein Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium mit einem Verstärkerbereich umfassend einen Lochquantenfilm aus einem ersten Halbleitermaterial und einen Elektronenquantenfilm aus einem zweiten Halbleitermaterial, sowie mit einem Elektronenkollektorbereich und mit einem darauf folgenden Elektroneninjektorbereich, wobei der Elektronenkollektorbereich wenigstens einen durch eine erste Barrierenlage abgetrennten Kollektorquantenfilm aus einem dritten Halbleitermaterial und der Elektroneninjektorbereich wenigstens einen durch eine zweite Barrierenlage abgetrennten Injektorquantenfilm aus einem vierten Halbleitermaterial umfasst.
Ein derartiges Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium ist beispielsweise aus der US 5,799,026 oder aus der US 201010097690 A1 bekannt. Der für die Laseraktivität genutzte optische Übergang findet dabei zwischen dem Lochquantenfilm und dem Elektronenquantenfilm statt. Quantenfilm bedeutet hierbei, dass aufgrund der Dicke der entsprechenden Halbleiterschichten und durch Lokalisierung der Elektronen im Leitungsband des Elektronenquantenfilms sowie der Löcher im Lochquantenfilm aufgrund des Bandverlaufs zu benachbarten Schichten eine Quantisierung der Besetzungsniveaus senkrecht zur Schichtebene gegeben ist. Durch geeignete Wahl der Halbleitermaterialien befindet sich insbesondere die Valenzbandkante des Lochquantenfilms energetisch über der Leitungsband kante des Elektronenquantenfilms. Dadurch wird die Emissionswellenlänge bei einem optischen Übergang eines Elektrons aus dem Leitungsband des Elektronenquantenfilms in das Valenzband des Lochquantenfilms praktisch unabhängig von den jeweiligen Bandlücken der beteiligten Halbleitermaterialien. Dies erlaubt beispielsweise Halbleiter-Laseremissionen in einem Wellenlängenbereich zwischen 3 μm und 5 μm, was bei einer Abhängigkeit des optischen Übergangs von der Bandlücke der Halbleitermaterialien bisher im Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur nicht lückenlos möglich ist. Laseremissionen im sogenannten mittleren Infrarot-Bereich (MWIR) zwischen 2,5 μm und 8 μm sind insbesondere für chemische Analysen, für Zielsuchgeräte oder für Anwendungen im medizinischen Bereich interessant.
Da der optische Übergang des Elektrons zwischen dem Leitungsband des Elektronenquantenfilms und dem Valenzband des Lochquantenfilms, also zwischen räumlich benachbarten Halbleitermaterialien stattfindet, handelt es sich um einen örtlich indirekten Bandübergang. Vorliegend spricht man in diesem Zusammenhang von einem sogenannten Typ-II Halbleiterlaser. Findet der optische Übergang hingegen örtlich direkt zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband desselben Halbleitermaterials statt, so spricht man von einem Typ-I Halbleiterlaser.
Als Halbleitermateralien für den Elektronenquantenfilm sind aus der US 5,799,026 InAs, InAsSb, InGaAs oder InAlAs bekannt. Als Halbleitermaterialien für den benachbarten Lochquantenfilm werden in der US 5,799,026 GaSb, GaInSb, GaSbAs, GaSbAs und GaAlSb offenbart. Durch die Wahl der III-V-Mischungshalbleiter sowie der Dicke der Quantenfilme wird die Lage der Leitungsbandkanten und der Valenzbandkanten des Elektronen- und des Lochquantenfilms zur Optimierung des optischen Übergangs konfiguriert.
Im Unterschied zu einem Halbleiter-Diodenlaser, wie er beispielsweise in der US 5,793,787 beschrieben ist, findet bei einem Interbandkaskaden-Laser ein unipolarer Transport eines einzelnen Ladungsträgertypus, also entweder von Elektronen oder von Löchern, entlang des Lasermaterials statt. Hierzu wird an das Lasermaterial eine externe Spannung angelegt, so dass Ladungsträger eines Typs auf der einen Seite in das Lasermaterial einwandern und auf der anderen Seite das Lasermaterial wieder verlassen. Entsprechend weist das gesamte Halbleitermaterial eines derartigen Lasers eine einheitliche Ladungsträger-Dotierung auf. Für den Transport der Elektronen als einheitliche Majoritätsladungsträger ist eine n-Dotierung vorgesehen; für den Transport von Löchern als einheitliche Majoritätsladungsträger eine p-Dotierung.
Um ein im Verstärkerbereich durch optischen Übergang in das Valenzband des Lochquantenfilms relaxiertes Elektron weiter zu transportieren, und um insbesondere dieses Elektron im Sinne einer Kaskade mehrfach für weitere optische Übergänge verwenden zu können, schließt sich dem Verstärkerbereich eines Interbandkaskadenlasers immer ein Elektronenkollektorbereich und darauffolgend ein Elektroneninjektorbereich an. Der Elektronenkollektorbereich umfasst wenigstens einen Kollektorquantenfilm, der mittels einer Elektronenbarrierenlage abgetrennt ist. Ebenfalls umfasst der Elektroneninjektorbereich einen Injektorquantenfilm, der über eine Elektronenbarrierenlage abgetrennt ist. Dabei ist die Valenzbandkante des Kollektorquantenfilms, also des dritten Halbleitermaterials, energetisch zur Aufnahme eines Elektrons aus dem Valenzband des zweiten Materials angepasst. Die Leitungsbandkante des Injektorquantenfilms, also des vierten Halbleitermaterials, ist energetisch zur Aufnahme eines Elektrons aus dem Valenzband des dritten Halbleitermaterials angepasst. Entsprechend der US 5,799,026 oder der US 201010097690 A1 können sich sowohl im Elektronenkollektorbereich als auch im Elektroneninjektorbereich mehrere Kollektor- bzw. Injektorquantenfilme und Barrierenlagen abwechseln. Die zwischen dem Verstärkerbereich und dem Elektronenkollektorbereich eingesetzte Barrierenlage verhindert ein unerwünschtes Tunneln des Elektrons aus dem elektronischen Niveau der Elektronenquantenfilme, ohne dass das Elektron strahlend in das energetisch niedriger liegende Energieniveau im Lochquantenfilm relaxiert ist.
Gemäß dem genannten Stand der Technik sind die Kollektorquantenfilme hinsichtlich ihrer Dicke und der Wahl des Halbleitermaterials so konfiguriert, dass beispielsweise das oberste quantisierte Lochniveau energetisch in etwa dem obersten quantisierten Lochniveau im Valenzband des Lochquantenfilms energetisch entspricht oder demgegenüber abgesenkt ist. Insbesondere ist hierbei der durch die angelegte äußere Spannung im Inneren des Halbleitermaterials resultierende näherungsweise lineare Verlauf des elektrischen Feldes zu beachten. Dem Elektron ist es somit erlaubt, insbesondere resonant aus dem Valenzband des Lochquantenfilms in das Valenzband eines Kollektorquantenfilms zu tunneln.
Um in einer weiteren Verstärker-Kaskade das Elektron erneut für einen optischen Übergang zur Verfügung zu haben, schließt sich dem Elektronenkollektorbereich der Elektroneninjektorbereich an. Dessen Aufgabe ist es, das Elektron aus dem Valenzband des Kollektorquantenfilms in ein elektronisches Niveau im Leitungsband des Injektorquantenfilms zur überführen, so dass es von dort über das Leitungsband eines sich anschließenden Elektronenquantenfilms erneut strahlend in das Valenzband eines Lochquantenfilms relaxieren kann.
Zu diesem Zweck ist das Leitungsband der sich anschließenden Injektorquantenfilme durch Wahl der Dicke und des Halbleitermaterials so konfiguriert, dass beispielsweise das unterste quantisierte Niveau darin unter Beachtung des Feldverlaufs energetisch gleich oder tiefer liegt als das oberste quantisierte Lochniveau im Valenzband des letzten Kollektorquantenfilms.
Als Halbleitermaterialien für den Kollektorquantenfilm sind aus der US 5,799,026 unter anderem GaSb, GaInSb oder GaSbAs bekannt. Als Materialien für den Injektorquantenfilm sind die Materialien des Elektronenquantenfilms eingesetzt. Aufgrund des durch die äußere Spannung resultierenden Feldverlaufs im Inneren des Halbleitermaterials, der zu einer Bandverkippung führt, kann somit ein Elektron beim Durchlaufen des Halbleitermaterials mehrfach für denselben optischen Übergang an verschiedenen Orten verwendet werden. Dazu werden durch entsprechenden Schichtenaufbau mehrere Verstärkermedien in Reihe geschaltet. Der Elektronenkollektorbereich nimmt das übergegangene Elektron auf und reicht es an den Elektroneninjektorbereich weiter. Dieser injiziert die Elektronen in den nächsten Verstärkerbereich, wo diese erneut durch optischen Übergang relaxieren.
Die durch Schaffung der Potentialbarrieren ein Tunneln der Elektronen ermöglichenden Barrierenlagen sind gemäß der US 5,799,026 insbesondere aus Halbleitermaterialien wie AlSb, AlInSb, AlSbAs oder AlGaSb aufgebaut. Diese Materialen weisen eine relativ große Bandlücke auf. Die für den optischen Übergang relevanten Niveaus der Elektronen und Löcher im Leitungsband bzw. im Valenzband der benachbarten Schichten befinden sich energetisch innerhalb der Bandlücke der Barrieren lagen.
Bei einem Diodenlaser hingegen befindet sich der optische Übergang innerhalb der Verarmungszone eines p-n-Überganges. Im n-dotierten Bereich findet vorwiegend ein Ladungstransport durch Elektronen, im p-dotierten Bereich durch Löcher statt. Für den Laserbetrieb ist die strahlende Rekombination von Elektronen und Löchern in der Verarmungszone maßgeblich, die aus entgegengesetzten Richtungen (Kontakten) injiziert werden. Mit anderen Worten findet ein bipolarer Ladungstransport mittels Elektronen und Löcher statt. Im Verstärkerbereich strahlend relaxierte Elektronen werden nicht weiter transportiert. Somit kann jedes injizierte Elektron maximal zur Aussendung eines Photons im Bauteil beitragen.
Zum elektrischen Anschluss des Lasermaterials eines Interbandkaskadenlasers sind weiter spezifische Anschluss- und Abschlussschichten aus dem Stand der Technik bekannt. Der genaue Aufbau dieser Schichten ist jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Nachteiligerweise ergeben sich für Typ-II Halbleiterlaser durch die räumliche Trennung von Elektronen und Löchern nur relativ kleine Bereiche, in denen sich deren Aufenthaltswahrscheinlichkeiten merklich überlappen. Eine Erhöhung des räumlichen Überlapps in räumlich indirekten Quantenfilmen ist jedoch von maßgeblicher Bedeutung, um die Wahrscheinlichkeit strahlender Übergänge von injizierten Elektronen zu maximieren. Dazu kann einerseits die Dicke des Lochquantenfilms und des Elektronenquantenfilms verringert werden, so dass sich aufgrund der stärkeren Lokalisierung der Ladungsträger ein größerer räumlicher Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten ergibt. Allerdings führt eine Verringerung der Dicke zu einer stärkeren Quantisierung der Energieniveaus, so dass sich die Übergangswellenlänge verändert. Andererseits kann dem Rechnung getragen werden, indem die Gewichtsanteile in den Mischungshalbleitern entsprechend angepasst werden, da dies einen Einfluss auf die Bandlücke zwischen Valenzband und Leitungsband hat.
Für einen Diodenlaser entsprechend der US 5,793,787 , bei dem der optische Übergang in der Verarmungszone eines p-n-Übergangs durch Rekombination stattfindet, und wobei keine Bandanpassung zum Weitertransport der relaxierten Ladungsträger vorgenommen werden muss, wird zur Erhöhung der Übergangswahrscheinlichkeit für einen Typ-II Halbleiterlaser vorgeschlagen, den Lochquantenfilm zwischen zwei benachbarte Elektronenquantenfilme einzubetten. Ohne weitere Angaben wird hierbei für eine mögliche Dicke des Lochquantenfilms ein weiter Bereich zwischen 1,5 nm und 7,0 nm angegeben. Als bevorzugt werden Dicken des Lochquantenfilms zwischen 2 nm und 4 nm offenbart. Als Materialien für den Lochquantenfilm werden GaInSb mit einem Indium-Anteil, bezogen auf Gallium, zwischen 0% und 60% sowie unspezifiziert GaSb, GaInSbAs und GaInAlSb genannt. Für die Elektronenquantenfilme werden als Materialien unspezifiziert InAs, InAsSb mit einem Gehalt an Antimon, bezogen auf Indium, von weniger als 50%, InAsP mit einem Gehalt an Phosphor, bezogen auf Arsen, von weniger als 50%, InAlAs mit einem Gehalt an Aluminium, bezogen auf Indium, von weniger als 50%, InGaAs mit einem Gehalt an Gallium, bezogen auf Indium, von weniger als 50% und unspezifiziert InAlAsSb vorgeschlagen.
Wegen der zwingend erforderlichen Bandanpassung zum Weitertransport der optisch relaxierten Ladungsträger können die für einen Diodenlaser angegebenen Materialien samt deren Gewichtsanteilen jedoch nicht auf die Materialstruktur eines Interbandkaskadenlasers übertragen werden. Vielmehr bedarf dessen Materialauswahl weiterer intensiver Forschungstätigkeit.
Dazu greift die spätere US 5,799,026 für einen Interbandkaskadenlaser das Konzept der US 5,793,787 zur Erhöhung des räumlichen Überlapps der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten eines Elektrons und eines Lochs auf, wonach ein Lochquantenfilm zwischen zwei benachbarte Elektronenquantenfilme eingebettet wird. Man spricht dabei wegen der wellenförmigen Form der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen von einem sogenannten Typ-II Quanten-W-Laser. Der Verstärkerbereich wird auch W-Quantenfilm genannt. Die US 5,799,026 schlägt für einen Interbandkaskadenlaser vor, die Lochquantenfilme für eine möglichst hohe Effizienz des strahlenden Übergangs möglichst dünn auszuführen. Wegen der erforderlichen Bandanpassung werden als Materialien für den Lochquantenfilm unspezifiziert GaSb, GaInSb, GaSb/InSb, GaSb/GaInSb, GaSbAs, GaSb/GaAs, GaAlSb und GaSb und AlSb vorgeschlagen. Als Materialien für die Elektronenquantenfilme werden unspezifisch InAs, InAsSb, InAs/InSb, InGaAs, InAs/GaAs, InAlAs und InAs/AlAs genannt.
Eine weitere Spezifizierung der verwendeten Halbleitermaterialien zur Verbesserung der Effizienz eines Typ-II Interbandkaskadenlasers ist der über 10 Jahre später angemeldeten US 2010/0097690 A1 zu entnehmen. Dort wird als ideales Material für den Lochquantenfilm ein Ga_1-xIn_xSb-Mischungshalbleiter offenbart. Nach Art eines W-Quantenfilms ist dieser Lochquantenfilm zwischen zwei Elektronenquantenfilmen aus InAs eingebettet. Beispielhaft wird – bezogen auf Gallium – ein Anteil an Indium von 35% angegeben. Die Dicke des Lochquantenfilms ist mit 2,5 nm bis 5 nm spezifiziert.
Damit lässt sich ein räumlicher Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten von Elektronen und Löchern in dem Typ-II W-Quantenfilm von mehr als 60% erzielen. Als mögliche Wellenlängen des strahlenden Übergangs werden 2,5 μm bis 8 μm bei hohen Temperaturen angegeben. Wünschenswert wäre für diesen wichtigen Wellenlängenbereich im Infraroten eine weitere Erhöhung des räumlichen Überlapps der Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elektronen und Löchern, um somit die Effizienz werter zu verbessern.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium anzugeben, welches im Wellenlängenbereich oberhalb 2 μm eine möglichst hohe Effizienz des strahlenden Übergangs zeigt. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiterlaser in diesem Spektralbereich anzugeben, der einen möglichst niedrigen Energieverbrauch aufweist.
Die erstgenannte Aufgabe wird für ein Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium der vorgenannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das erste Halbleitermaterial des Lochquantenfilms ein III-V-Mischungshalbleiter aus wenigstens vier Elementen ist, wobei wenigstens zwei der Elemente ausgewählt sind aus Ga, In und Al, und wobei wenigstens zwei der Elemente ausgewählt sind aus As, Sb, P und N.
Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von dem aktuellen Stand der Entwicklung aus, wonach für ein Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium, welches einen strahlenden Übergang oberhalb von 2 μm zeigen soll, als Material für den Lochquantenfilm ein ternärer GaInSb-Mischungshalbleiter eingesetzt ist. Der räumliche Überlapp zwischen Elektronen und Löchern wird insbesondere in einem Typ-II W-Quantenfilm dadurch maximiert, dass der Gehalt an Indium im GaInSb-Mischungshalbleiter möglichst hoch gewählt ist.
Dazu sind in 1 für einen derartigen Verstärkerbereich des Standes der Technik die Bandverhältnisse für eine beispielhafte Schichtfolge von 1,7/2,7/1,4 nm aus InAs/Ga_0,7In_0,3Sb/InAs dargestellt. Es resultiert ein W-Quantenfilm mit einem Lochquantenfilm 1, der zwischen zwei Elektronenquantenfilme eingebettet ist. Der den Lochquantenfilm 1 und die beiden Elektronenquantenfilme 2 umfassende Verstärkerbereich V ist eingebettet zwischen zwei Barrierenlagen 3 aus AlSb. Das Valenzband ist aufgespalten in ein Leichtloch-Band und in ein Schwerloch-Band, was durch den Kristall bedingt ist. Weiter ist in 1 die W-förmige Aufenthaltswahrscheinlichkeit 10 eines Elektrons für das energetisch tiefste Niveau im Leitungsband der beiden Elektronenquantenfilme 2 sowie die Aufenthaltswahrscheinlichkeit 11 eines Lochs für das energetisch höchste Niveau im Valenzband des Lochquantenfilms 1 eingezeichnet. Die Emissionswellenlänge für den optischen Übergang liegt bei etwa 3,0 μm bis 3,1 μm. Bei einem typischen elektrischen Feld von 75 kV/cm ergibt sich für einen derartigen Aufbau ein räumlicher Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elektronen und Lochwellenfunktion von etwa 64%.
In einem zweiten Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass dem herkömmlichen Ansatz einer weiteren Vergrößerung des räumlichen Überlapps der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten durch eine Erhöhung des Indium-Gehaltes natürliche Grenzen gesetzt sind. Dies wird aus den 2 und 3 ersichtlich.
In 2 sind auf der Abszisse für verschiedene III-V-Halbleiter die Gitterkonstanten der resultierenden Kristallstruktur dargestellt. Auf den beiden Ordinaten sind die zugehörigen Bandlücken zwischen Valenz- und Leitungsband der Halbleiter bzw. die entsprechende Übergangswellenlänge dargestellt. Direkte Übergänge im Impulsraum (ohne Phononenaustausch) sind durchgezogen und indirekte Übergänge im Impulsraum (mit Phononenaustausch) sind gestrichelt dargestellt. Es wird deutlich erkennbar, dass in einem ternären Mischungshalbleiter GaInSb eine Erhöhung des Indium-Anteils zu einer Erhöhung der Gitterkonstante gegenüber dem üblicherweise verwendeten Substrat GaSb führt. Ausgehend von einer Gitterkonstante von etwa 6,1 10^–10 m bei GaSb weist InSb eine Gitterkonstante von nahezu 6,5 10^–10 m auf. Eine Erhöhung des Indium-Anteils führt insofern zu einem zunehmenden Verspannungsgrad gegenüber dem Substrat, was Relaxationsprozesse im Gitteraufbau und damit potentiell nicht-strahlende Defektzentren zur Folge hat.
Ergänzend zeigt 3 für einen W-Quantenfilm, wie beispielhaft in 1 dargestellt, bei konstanter Emissionswellenlänge den räumlichen Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlikchkeiten von Elektronen und Löchern abhängig vom Indium-Gehalt in Linien, aufgetragen über die Dicke der Elektronenquantenfilme aus InAs und des Lochquantenfilms GaInSb.
Aus 3 kann entnommen werden, dass der räumliche Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Wellenfunktionen der Ladungsträger mit zunehmendem Indium-Gehalt bei gleichzeitig dünner werdendem Lochquantenfilm zunächst stetig ansteigt. Dies liegt darin begründet, dass der höhere Indium-Anteil die Bandlücke des GaInSb-Lochquantenfilms verringert, so dass sowohl die Lochquantenfilme als auch die Elektronenquantenfilme bei fester Emissionswellenlänge dünner gewählt werden können. Dadurch erhöht sich die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen innerhalb des Lochquantenfilms und somit der räumliche Überlapp. Entsprechend 2 ist diese Vorgehensweise jedoch durch den mit steigendem Indium-Gehalt zunehmenden Verspannungsgrad begrenzt. Für Indium-Gehälter oberhalb von 40% liegt eine Verspannung von mehr als 2,5% gegenüber dem Substrat vor, was zu den erwähnten nicht-strahlenden Defektzentren führen würde. Selbst wenn man derartig hohe Verspannungen in Kauf nehmen würde, steigen jedoch die Überlappwerte bei einer weiteren Erhöhung des Indium-Gehalts nur noch moderat an.
In einem dritten Schritt erkennt die Erfindung schließlich, dass durch Übergang auf einen wenigstens quaternären Mischungshalbleiter als Lochquantenfilm ein Ausweg aus dem aufgezeigten Dilemma gefunden werden kann. Bei einem wenigstens quaternären Mischungshalbleiter kann die Bandlücke durch Erhöhung des Gehalts eines Elements angepasst werden, während eine hierdurch resultierende zunehmende Verspannung durch Änderung der Gitterkonstante gegenüber dem Substrat durch Hornzufügung eines entgegenwirkenden vierten Elements ausgeglichen werden kann. So kann beispielsweise Arsen, Phosphor oder Aluminium ausgleichend gegenüber Indium oder Antimon eingesetzt werden. Ein wenigstens quaternärer Mischungshalbleiter bietet insofern die Möglichkeit, den erwünschten räumlichen Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Wellenfunktionen der Ladungsträger gegenüber dem Stand der Technik weiter zu vergrößern und somit die Effizienz des strahlenden Übergangs weiter zu verbessern, wobei der Verspannungsgrad gegenüber dem Substrat in Grenzen gehalten werden kann, was sich wiederum positiv auf die Effizienz des Lasermediums auswirkt.
Ausgehend vom derzeitigen Stand der Forschung ist das erste Halbleitermaterial des Lochquantenfilms bevorzugt ein wenigstens quaternärer GaInSbAs-Mischungshalbleiter, der gegebenenfalls weitere Beimengungen an Al, P und/oder N umfasst. In dem sich für Emissionswellenlängen von mehr als 2 μm derzeit favorisierten System für einen W-Quantenfilm mit Elektronenquantenfilmen aus InAs bietet ein solcher Mischungshalbleiter durch die Zugabe von Arsen die Möglichkeit des Abbaus von Gitterverspannungen bei gleichzeitig erhöhtem Indium-Gehalt. Durch weitere Beimengungen an Al, P und/oder N kann eine weitere Anpassung hinsichtlich der Übergangswahrscheinlichkeiten, der Emissionswellenlänge oder der Gitterkonstante der Kristallstruktur vorgenommen werden. Entsprechend 2 bewegt man sich mit diesem System im Rechteck mit den Punkten InAs/GaAs/GaSb/InSb, und somit im Bereich der niedrigst möglichen Bandlückenenergien.
Besonders bevorzugt ist das erste Halbleitermaterial des Lochquantenfilms ein quaternärer Ga_xIn_1-xSb_yAs_1-y-Mischungshalbleiter. Die Indizes x und y sind in dieser Schreibweise auf den Wert Eins normiert und entsprechen insofern mit einem Faktor 100 multipliziert dem prozentualen Anteil des jeweiligen Elements innerhalb der Elemente der Hauptgruppe III (hier Ga, In) bzw. der Hauptgruppe V (hier As, Sb) des Periodensystems. Bereits eine kleine Menge an Arsen genügt, um den Verspannungsgrad zu reduzieren, so dass der Indiumanteil weiter erhöht werden kann. Zusätzlich besitzt Ga_xIn_1-xSb_yAs_1-y eine mit zunehmendem Arsenanteil abnehmende Bandlücke. Für eine gleichbleibende Emissionswellenlange können dadurch die Elektronenquantenfilme dünner gewählt werden, was den räumlichen Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten wesentlich erhöht.
Bevorzugt hat der Index y einen Wert zwischen 0,5 und 0,99, wonach der Arsenanteil zwischen 1% und 50% beträgt. Dieser Bereich hat sich hinsichtlich der Bandanpassung für einen W-Quantenfilm als vorteilhaft herausgestellt. Weiter bevorzugt ist der untere Grenzwert von y mit 0,6 gewählt, was einem Anteil an Arsen kleiner oder gleich 40% entspracht. Es hat sich gezeigt, dass mit einem Anteil von Arsen von weniger als 40% gegenüber Antimon die Gitterverspannung in hinsichtlich des strahlenden Übergangs akzeptable Bereiche gebracht werden kann, wobei gleichzeitig die Bandanpassung für das Tunnelniveau zum Weitertransport der Elektronen in einen anschließenden Elektronenkollektorbereich gewährleistet bleibt.
Vorteilhafterweise ist für den oberen Grenzwert des Index y der Wert 0,95 gewählt. Damit ist ein Arsen-Anteil bezüglich Antimon von 5% und mehr eingesetzt. Bereits eine Arsen-Zugabe von lediglich 10% ermöglicht beispielsweise für eine herkömmliche typische Konfiguration eines W-Quantenfilms mit einem Lochquantenfilm aus Ga_0.72In_0.28Sb bei tolerierbarer Verspannung eine Erhöhung des Indiumanteils auf 54% und einen räumlichen Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten von 72,7% bei externen elektrischen Feldstärken von 75 kV/cm, wie sie in typischen Laserdesigns vorliegen.
Wird unter Berücksichtigung eines tolerierbaren Verspannungsgrades bis zu etwa 2,6% (also dem relativen Unterschied der Gitterkonstante des Mischungshalbleiters gegenüber dem Substrat) unter Berücksichtigung der Zugabe von Arsen der Indiumgehalt über den bislang möglichen Bereich hinaus angehoben, so besitzen die Elektronen wegen der zunehmenden Absenkung der GaInSbAs-Leitungsbandkante nun eine so hohe Aufenthaltswahrscheinlichkeit am Ort des Lochquantenfilms, dass der räumliche Überlapp mit der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Löcher zunimmt, je breiter die GaInSbAs-Schicht gewählt wird. Entgegen dem bisherigen Trend, den Lochquantenfilm für einen effizienten strahlenden Übergang möglichst dünn zu halten, sind bei Einsatz eines quaternären Mischungshalbleiters mit einem die Gitterverspannung reduzierenden zusätzlichen Element überraschenderweise eher größere Dicken des Lochquantenfilms zu bevorzugen. Vorteilhafterweise beträgt daher die Dicke des Lochquantenfilms 2 nm bis 10 nm. Vorzugsweise ist hierbei die Dicke des Lochquantenfilms größer als 5 nm gewählt. Insbesondere sind Dicken oberhalb von 6 nm zu bevorzugen. Eigene Untersuchungen legen diese Ausführungsvariante insbesondere im Zusammenhang mit zwei Elektronenquantenfilmen nahe, zwischen denen ein Lochquantenfilm eingebettet ist. Weitere selbst durchgeführte Untersuchungen und Berechnungen der Bandstrukturen legen für ein Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium der eingangs genannten Art eine bevorzugte obere Grenze der Dicke des Lochquantenfilms von 7,5 nm nahe.
Bevorzugt hat der Index x einen Wert größer als 0 und kleiner als 0,7. Dies entspricht einem Indium-Gehalt von größer oder gleich 30% gegenüber Gallium. Eine Erhöhung des Indium-Gehalts über 30% vergrößert entsprechend 3 den räumlichen Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen und Löcher, wobei die zunehmende unerwünschte Gitterverspannung durch einen Anteil an Arsen reduziert werden kann. Hohe Arsen-Anteile korrelieren hierbei mit hohen Indium-Anteilen. Bei niedrigen Indium-Anteilen genügen geringere Mengen an Arsen.
Weiter bevorzugt beträgt der untere Grenzwert des Index x gleich 0,2, was einem Indiumanteil von weniger oder gleich 80% entspricht. Oberhalb von 80% wird eine Anpassung des Tunnelniveaus des benachbarten Elektronenkollektorbereiches schwieriger, da durch die Zugabe an Indium in dem quaternären Mischungshalbleiter die Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband zunehmend verringert wird.
Vorteilhafterweise ist der obere Grenzwert des Index x gleich 0,6. Mit anderen Worten ist der Indium-Gehalt größer oder gleich 40%. Durch die gleichzeitige Anwesenheit von Arsen ist es somit möglich, den bislang darstellbaren räumlichen Überlapp der Wellenfunktionen von Elektronen und Löchern weiter zu vergrößern und dies zu einer weiteren Erhöhung der Effizienz des optischen Übergangs zu nutzen. Eine Erhöhung des Indium-Gehalts über einen Anteil von 40% hinaus vermochte aufgrund zunehmender Relaxationseffekte in der Gitterstruktur die Effizienz des optischen Übergangs nicht mehr weiter zu erhöhen. Durch die Anwesenheit von Arsen ist nunmehr eine Erhöhung des Indium-Anteils mit einer Effizienz-Erhöhung des strahlenden Übergangs verbunden.
Weiter bevorzugt ist der Index x kleiner als 0,4 gewählt. Damit ist der Indium-Anteil größer als 60% gewählt. Es lassen sich deutliche Vorteile hinsichtlich der Übergangswahrscheinlichkeit und somit hinsichtlich der Effizienz des strahlenden Übergangs erzielen, wie sie bisher noch nicht darstellbar waren. Der räumliche Überlapp der Übergangswahrscheinlichkeiten der Elektronen und Löcher kann beispielsweise in einem W-Quantenfilm auf über 80% angehoben werden.
Für das zweite Halbleitermaterial des Elektronenquantenfilms sind prinzipiell Mischungshalbleiter einsetzbar, die ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Al, Ga, In und ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe As, Sb in einer beliebigen Kombination enthalten. Bevorzugt wird ein Mischungshalbleiter eingesetzt, der aus der Gruppe InAs, InAsSb, InGaAs, InAlAs und GaInAsSb ausgewählt ist. Durch Wahl dieser III-V-Halbleiter können die Leitungsband- und Valenzbandkanten zwischen Lochquantenfilm und Elektronenquantenfilm für die gewünschte Übergangswellenlänge von mehr als 3 μm entsprechend eingestellt werden. Durch die Verwendung eines weiteren Elements aus der Hauptgruppe III oder V des Periodensystems zur Reduzierung der Gitterverspannung wird es möglich, im Lochquantenfilm die Leitungsbandkante weiter abzusenken, als dies bislang ohne Verlust in der Lasereffizienz möglich war. Insbesondere für einen GaInSbAs-Lochquantenfilm führt die Verwendung von Arsen zusätzlich dazu, dass sich die Bandlücke im Lochquantenfilm verringert. Insofern kann unter Beibehaltung der Emissionswellenlänge die Dicke der Elektronenquantenfilme unter Berücksichtigung der Quantisierung der Besetzungsniveaus weiter verringert werden, was zu einer zusätzlichen Steigerung des räumlichen Überlapps der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten von Elektronen und Löchern führt.
Bevorzugt ist daher die Dicke des Elektronenquantenfilms klein und zwischen lediglich 0,5 nm und 5 nm, insbesondere zwischen 1 nm und 3 nm, gewählt.
Betrachtet man die bei Wahl eines wenigstens quaternären Mischungshalbleiters, der gegebenenfalls weitere Beimengungen an Elementen aus der Hauptgruppe III oder V des Periodensystems aufweist, resultierenden positiven Effekte auf den räumlichen Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten von Elektronen und Löchern in einem Typ-II Verstärkerbereich, so kann weiter vorteilhaft für das Verhältnis der Dicke eines Lochquantenfilms zur Dicke eines benachbarten Elektronenquantenfilms ein Wert angegeben werden, der größer als zwei, insbesondere größer als 2,5, ist. Der Bereich des Verhältnisses größer als 2,5 ist dabei für hohe Indiumgehalte oberhalb 50%, insbesondere von mehr als 60%, vorteilhaft. Insbesondere in Kombination mit den vorgenannten angegebenen bevorzugten Dickenbereichen des Lochquantenfilms und des Elektronenquantenfilms wird ein Verstärkermedium für einen Interbandkaskadenlaser geschaffen, wodurch bei Wellenlängen von mehr als 2,5 μm eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Effizienz erzielt ist.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Interbandkaskadenlaser-Verstärkermediums sind wenigstens zwei Elektronenquantenfilme vorgesehen. Vorteilhaft ist insbesondere ein sogenannter W-Quantenfilm gebildet, bei dem der Lochquantenfilm zwischen zwei Elektronenquantenfilme eingebettet ist. Dabei kann die Dicke der beiden Elektronenquantenfilme innerhalb der hier angegebenen Bereiche zueinander auch variieren. Insbesondere wird hierdurch auf den benachbarten Elektronenkollektorbereich Bezug genommen.
Zweckmäßigerweise ist für das dritte Halbleitermaterial des Kollektorquantenfilms ein Mischungshalbleiter ausgewählt aus der Gruppe GaSb, GaInSb, GaSbAs, GaInAsSb, AlGalnSb, AlGaAsSb und AlGalnAsSb. Die Dicke des Kollektorquantenfilms ist dabei bevorzugt zwischen 1 nm und 5 nm, insbesondere zwischen 2 nm und 4,5 nm gewählt.
Für das vierte Halbleitermaterial des Injektorquantenfilms ist vorteilhafterweise ein Mischungshalbleiter ausgewählt aus der Gruppe InAs, InAsSb, InAsSb, InGaAs, InAlAs, AlInAsSb, GaInAsSb. Grundsätzlich sind für das vierte Halbleitermaterial des Elektronenquantenfilms Mischungshalbleiter einsetzbar, die ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Al, Ga, In und ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe As, Sb in einer beliebigen Kombination enthalten.
Als Material für die erste und die zweite Barrierenlage ist vorzugsweise ein Mischungshalbleiter aus der Gruppe AlSb, AlInSb, AlSbAs, AlGaSb, AlInAsSb gewählt. Diese Mischungshalbleiter zeichnen sich durch eine große Bandlücke und insbesondere durch eine hohe Leitungsbandkante aus, wodurch der Einschluss der Ladungsträger in den benachbarten Quantenfilmen realisiert ist. Mithin schaffen die Barrierenlagen eine geeignete Potentialbarriere für den für den Laserbetrieb nötigen schnellen Tunnelprozess. Das Energieniveau der tiefen Elektronenzustände im Leitungsband der Elektronenquantenfilme liegt dazu im Bereich der Bandlücke der Barrierenlage. Die Kollektorquantenfilme innerhalb des Elektronenkollektorbereichs stellen für die strahlend relaxierten Elektronen im Lochquantenfilm insbesondere geeignete Energieniveaus im Valenzband für diesen Tunnelprozess zur Verfügung.
Die Dicke der ersten Barrierenlage beträgt vorteilhafterweise zwischen 0,5 nm und 5 nm, insbesondere zwischen 2 nm und 4 nm. Für die zweite Barrierenlage hat sich eine Dicke zwischen 0,5 nm und 5 nm, insbesondere zwischen 1 nm und 3 nm, als vorteilhaft herausgestellt.
Weiter wird erfindungsgemäß ein Interbandkaskadenlaser mit einem Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium der vorbeschriebenen Art angegeben. Bevorzugt reihen sich hierbei mehrere Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedien aneinander, so dass bei Anlegen einer äußeren Spannung durch den Laser transportierte Elektronen mehrfach für einen optischen Übergang ausgenutzt werden. In einer besonderen Ausgestaltung unterscheiden sich die mehreren Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedien in den Übergangsenergien der strahlenden Übergänge zwischen dem Elektronenquantenfilm und dem Lochquantenfilm. Damit wird ein breitbandig emittierender Interbandkaskadenlaser geschaffen. Durch geeignete Wahl der Dicken von Lochquantenfilm und Elektronenquantenfilm sowie durch den Anteil der im jeweiligen Mischungshalbleiter enthaltenen Elemente kann die Emission bewußt verbreitert werden, oder es können sogar komplett separate Emissionswellenlängen angestrebt werden. Durch sich unterscheidende Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedien ist es möglich, maßgeschneiderte Verstärkungsbereiche zu erzielen.
Das Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium ist eingebettet in weitere Lagen, die Übergangslagen, Einschlusslagen, und Anschlusslagen differenzierten Aufbaus umfassen. Der Aufbau dieser Schichten oder Lagen ist an sich bekannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Bänderschema für einen Typ-II W-Quantenfilmlaser nach Stand der Technik,
2 die Bandlücken und Gitterkonstanten verschiedener III-V-Halbleiter,
3 bei festgehaltener Emissionswellenlänge den räumlichen Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten von Elektronen und Löchern in einem W-Quantenfilm mit InAs-Elektronenquantenfilmen und einem GaInSb-Lochquantenfilm, abhängig vom Indium-Anteil,
4 die Bänderstruktur in einem Typ-II-W-Quantenfilm-Kaskadenlaser, wobei für den Lochquantenfilm ein quaternärer Mischungshalbleiter gewählt ist,
5 Photolumineszenzmessungen an W-Quantenfilmen mit InAs-Elektronenquantenfilmen und einen GaInSb-Lochquantenfilm abhängig vom Indium-Gehalt im Lochquantenfilm unter näherungsweisem Erhalt der Emissionswellenlänge,
6 einen Vergleich der Schwellstromdichten von Verstärkermedien mit einem W-Quantenfilm enthaltend einmal einen GaInSb-Lochquantenfilm und einmal einen GaInAsSb-Lochquantenfilm nach 4, abhängig von der Temperatur und
7 das beispielhafte Bänderschema für ein Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium umfassend einen W-Quantenfilm-Verstärkerbe reich mit einem Lochquantenfilm aus qarternärem GaInAsSb, der einen räumlichen Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten von Elektronen und Löchern von über 80% zeigt.
Die 1 bis 3 dienen dem besseren Verständnis der Erfindung und sind in diesem Zusammenhang bereits im Beschreibungsteil entsprechend erläutert.
In 4 ist das Bänderschema für einen W-Quantenfilm-Verstärkerbereich dargestellt, der einen Lochquantenfilm 1 umfasst, der zwischen zwei Elektronenquantenfilme 2 eingebettet ist. Der den Lochquantenfilm 1 und die beiden Elektronenquantenfilme 2 umfassende Verstärkerbereich V ist eingebettet zwischen zwei Barrierenlagen 3. Das Valenzband ist aufgespalten in ein Leichtloch-Band und in ein Schwerloch-Band, was aufgrund des Kristalls bedingt ist. Die Valenzbandkante des Lochquantenfilms 1 liegt energetisch oberhalb der Leitungsbandkante der Elektronenquantenfilme 2.
Der Lochquantenfilm 1 weist eine Dicke von 2,3 nm auf. Als Material ist ein quaternärer Mischungshalbleiter der Zusammensetzung Ga_0,46In_0.54As_0.10Sb_0.90 eingesetzt. Der erste Elektronenquantenfilm 2 weist eine Dicke von 1,70 nm nm auf. Die Dicke des zweiten Elektronenquantenfilms 2 ist mit 1,31 nm etwas dünner gewählt. Als Material für beide Elektronenquantenfilme 2 ist ein InAs-Mischungshalbleiter gewählt.
Die energetisch den Verstärkerbereich V einschließenden Barrierenlagen 3 weisen eine Dicke von 1,5 nm bzw. 1,2 nm auf und umfassen als Halbleitermaterial AlSb. Dementsprechend liegen die Leitungsbandkanten wesentlich höher als im Verstärkerbereich.
Weiter ist in 4 die Aufenthaltswahrscheinlichkeit 10 eines Elektrons für das energetisch tiefste Niveau im Leitungsband der beiden Elektronenquantenfilme 2 sowie die Aufenthaltswahrscheinlichkeit 11 eines Lochs für das energetisch höchste Niveau im Valenzband des Lochquantenfilms 1 eingezeichnet. Die theoretische Emissionswellenlänge für den optischen Übergang liegt bei etwa 3,1 μm.
Da durch die Verwendung von 10% Arsen die Energielücke im Lochquantenfilm 1 reduziert ist, können die Dicken der Elektronenquantenfilme 2 zum Erreichen der Emissionswellenlänge relativ gering gehalten werden, so dass sich die Aufenthaltswahrscheinlichkeit 10 am Ort des Lochquantenfilms 1 zusätzlich erhöht. Durch die Verwendung von 54% Indium ist die Leitungsbandkante im Lochquantenfilm 1 abgesenkt, wodurch sich für die Elektronen am Ort des Lochquantenfilms 1 eine so hohe Aufenthaltswahrscheinlichkeit 10 ergibt, dass der Überlapp mit der Aufenthaltswahrscheinlichkeit 11 der Löcher mit zunehmender Breite des Lochquantenfilms erhöht. Es wird insbesondere die gegenüber dem Stand der Technik entsprechend 1 deutlich abgeflachte Aufenthaltswahrscheinlichkeit 10 der Elektronen ersichtlich.
Insgesamt ergibt sich entsprechend 4 ein räumlicher Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlichkeit 10 der Elektronen mit der Aufenthaltswahrscheinlichkeit 11 der Löcher von nahezu 73 Prozent, was gegenüber den W-Quantenfilmen herkömmlicher Art, wobei als Material des Lochquantenfilms ein GaInSb-Mischungshalbleiter gewählt ist, eine wesentliche Verbesserung darstellt. Für derartige W-Quantenfilme kann bis zu einem maximal tolerierbaren Indium-Anteil von 40% lediglich ein räumlicher Überlapp von maximal etwa 67% erzielt werden. Dabei wird jedoch bereits ein so hoher Verspannungsgrad in Kauf genommen, dass die Effizienz des strahlenden Übergangs verringert ist. Bereits durch die Zugabe von lediglich 10% Arsen und durch eine Erhöhung des Indiumanteils auf 54% wird somit eine deutliche Erhöhung des räumlichen Überlapps erzielt, die sich insbesondere in einer höheren maximalen Betriebstemperatur der Lasertätigkeit niederschlägt.
Aus 5 wird anhand von Photolumineszenzmessungen die Beschränkung der Effizienz eines W-Quantenfilms ersichtlich, wenn für den Lochquantenfilm ein GaInSb-Mischungsleiter gewählt ist. Dabei wurde für drei Proben A2243, A2240 und A2237 mit Indium-Anteilen von 32%, 36% bzw. 40% die Intensitäten der optischen Übergänge gemessen, wobei die Dicken der Lochquantenfilme und der Elektronenquantenfilme aus InAs jeweils so minimal als möglich gestaltet wurden, um eine Emissionswellenlänge von 3,3 μm zu erhalten. Es wird aus 5 ersichtlich, dass mit steigendem Indium-Gehalt die Maximalintensität zunimmt, während das Ziel, gleichzeitig die Emissionswellenlänge konstant zu halten, annähernd erreicht ist. Die Maximalintensität nimmt bei gleichzeitig dünner werdenden Lochquantenfilmen mit zunehmenden Indium-Anteilen zu. Zugleich wird aber auch ersichtlich, dass die Maximalintensitäten nur noch moderat ansteigen, wenn sich der Indium-Anteil 40% nähert.
Wird Arsen eingesetzt, so kann dieser negative Trend beendet werden. Zugleich können die Lochquantenfilme dann entgegen der fachüblichen Erwartung dicker gewählt werden, um den räumlichen Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten von Elektronen und Löchern weiter zu erhöhen.
Aus 6 wird die Erhöhung der maximalen Betriebstemperatur der Lasertätigkeit bei Dauerstrichbetrieb aus dem Vergleich zwischen den Schwellstromdichten zweier Bauteile identischer Dimensionen aber unterschiedlicher W-Quantenfilm-Verstärkermedien ersichtlich. Dabei sind als Materialien des Lochquantenfilms einmal ein Ga_0,72In_0,28Sb- und einmal ein Ga_0.46In_0.54As_0.10Sb_0.90-Mischungshalbleiter eingesetzt. Gegenüber dem GaInSb-Referenzlaser weist der GaInAsSb-Laser einen nach eigenen Berechnungen um 6,0% erhöhten räumlichen Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Elektronen und Löcher auf. Man erkennt in 6, dass die Lasertätigkeit des Referenzlasers lediglich bis 0°C aufrechterhalten werden kann, während die Lasertätigkeit eines Lasers entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bis 11°C aufrechterhalten werden kann. Gleichzeitig ergeben sich für gleiche Betriebstemperaturen geringere Einsatzstromdichten für den Laser mit quaternärem Loch-Quantenfilm. Bei einer Temperatur von 0°C sind dies beispielsweise 1,30 kA/cm². Der Referenzlaser hingegen benötigt hier bereits 1,43 kA/cm². Beide Strukturen emittieren hier im Bereich um 3.4 μm.
Relativ betrachtet führt somit bereits ein um 6,0% erhöhter Überlapp der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten in diesem Fall zu einer um 9,1% verringerten Schwellstromdichte, was im Anwendungsbereich geringere Kosten für den Betrieb und für die Kühlung des Halbleiterlasers bedeutet.
In 7 ist die Bänderstruktur einer Schichtenabfolge mit einem Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium dargestellt, die einen Verstärkerbereich V, einen Elektronenkollektorbereich K und einen Elektroneninjektorbereich I umfasst. Der Verstärkerbereich V ist gebildet aus einem W-Quantenfilm, der einen Lochquantenfilm 1 umfasst, welcher zwischen zwei Elektronenquantenfilmen 2 eingebettet ist. Die Dicke des Lochquantenfilms 1 beträgt 6 nm. Die Dicken der Elektronenquantenfilme 2 sind mit 1,65 nm bzw. 1,35 nm gewählt. Als Material für den Lochquantenfilm 1 ist ein Ga_0.22In_0.78Sb_0.665As_0.335-Mischungshalbleiter eingesetzt. Die Elektronenquantenfilme 2 bestehen aus InAs. Das Verhältnis der Dicke des Lochquantenfilms (1) zu den benachbarten Elektronenquantenfilmen (2) beträgt 3,64 bzw. 4,44.
Der Verstärkerbereich V wird umfasst von zwei Barrierenlagen 3 aus AlSb. Diese sind 2,5 bzw. 1,2 nm dick.
Der Elektronenkollektorbereich K umfasst zwei Kollektorquantenfilme 4 aus GaSb, die jeweils eine Dicke von 2,6 nm bzw. 4,2 nm aufweisen und durch eine Barrierenlage 3 von 0,8 nm Dicke getrennt sind. Es folgt eine weitere Barrierenlage 3, die eine Dicke von 2,0 nm aufweist. Daran schließt sich der Elektroneninjektorbereich I an, von dem ein Injektorquantenfilm 5 und eine weitere Barrierenlage 3 dargestellt ist. Der Injektorquantenfilm 5 ist aus InAs aufgebaut. Erweist eine Dicke von 5,1 nm auf.
Auch in 7 wird die Aufspaltung des Valenzbandes in ein Leichtloch- und in ein Schwerloch-Band ersichtlich.
Im Verstärkerbereich V ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit 10 für Elektronen in dem energetisch tiefsten Zustand innerhalb des Leitungsbands der Elektronenquantenfilme 2 eingezeichnet. Ebenfalls ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit 11 für Löcher im energetisch höchsten Zustand innerhalb des Valenzbandes des Lochquantenfilms 1 eingezeichnet. Für den hier gezeigten konkreten Fall ergibt sich rechnerisch ein räumlicher Überlapp zwischen der Aufenthaltswahrscheinlichkeit 10 der Elektronen und der Aufenthaltswahrscheinlichkeit 11 der Löcher von 82,1%. Dies stellt eine nochmalige Verbesserung zu den vorbeschriebenen Ansätzen dar, was sich weiter positiv auf die Laserkenndaten auswirkt. Der dargestellte Verstärkerbereich V besitzt seine theoretische Emission bei 3,3 μm.
Weiter sind in 7 die Aufenthaltswahrscheinlichkeit 12 für Löcher im Valenzband des ersten Kollektorquantenfilms 4 und der Aufenthaltswahrscheinlichkeit 13 für Löcher im Valenzband des zweiten Kollektorquantenfilms 4 dargestellt. Bei Berücksichtigung eines Feldstärkeverlaufs durch eine extern angelegte Spannung von etwa 75 kV/cm, wie sie typischerweise vorliegt, wird ersichtlich, dass für in das Valenzband des Lochquantenfilms 1 relaxierte Elektronen ein resonantes Tunneln in das Valenzband der Kollektorquantenfilme 4 möglich ist. Die Energieniveaus sind energetisch angepasst.
Weiter ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit 14 samt energetischer Lage für Elektronen im tiefsten Besetzungszustand des Leitungsbands im Injektorquantenfilm 5 eingezeichnet. Die Leitungsbandkante im Injektorquantenfilm 5 ist hierbei zur Aufnahme eines Elektrons aus dem Valenzband des Kollektorquantenfilms 4 angepasst. Somit können Elektronen aus dem Valenzband der Kollektorquantenfilme 4 in das Leitungsband des Injektorquantenfilms 5 tunneln. Über eine erneute Barrierenlage 3 können diese Elektronen in einen sich anschließenden weiteren Verstärkerbereich V tunneln, wo sie nochmals für einen optischen Übergang zur Verfügung stehen. Mit anderen Worten ist die in 7 gezeigte Periode eines Verstärkermediums nach rechts mehrfach fortgesetzt.
Die vorliegend beschriebenen Schichtfolgen des Interbandkaskadenlaser-Verstärkermediums lassen sich durch Molekularstrahlepitaxie beherrschbar einstellen. Hierzu wird insbesondere der Arsenfluss während des Wachstums verändert. Durch spezifische Wachstumssequenzen lassen sich die gewünschten Arsengehalte in den verschiedenen Schichten reproduzierbar einstellen.
Bezugszeichenliste

1: Lochquantenfilm
2: Elektronenquantenfilm
3: Barrierenlage
4: Kollektorquantenfilm
5: Injektorquantenfilm
10: Aufenthaltswahrscheinlichkeit Elektron
11: Aufenthaltswahrscheinlichkeit Loch
12: Aufenthaltswahrscheinlichkeit Elektron
13: Aufenthaltswahrscheinlichkeit Loch
14: Aufenthaltswahrscheinlichkeit Elektron
K: Elektronenkollektorbereich
I: Elektroneninjektorbereich
V: Verstärkerbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5799026 [0002, 0004, 0004, 0006, 0010, 0011, 0017, 0017]
US 201010097690 A1 [0002, 0006]
US 5793787 [0005, 0015, 0017]
US 2010/0097690 A1 [0018]

Claims

Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium mit einem Verstärkerbereich (V) umfassend einen Lochquantenfilm (1) aus einem ersten Halbleitermaterial und einen Elektronenquantenfilm (2) aus einem zweiten Halbleitermaterial, sowie mit einem Elektronenkollektorbereich (K) und mit einem darauf folgenden Elektroneninjektorbereich (I), wobei der Elektronenkollektorbereich (K) wenigstens einen durch eine erste Barrierenlage (3) abgetrennten Kollektorquantenfilm (4) aus einem dritten Halbleitermaterial und der Elektroneninjektorbereich (I) wenigstens einen durch eine zweite Barrierenlage (3) abgetrennten Injektorquantenfilm (5) aus einem vierten Halbleitermaterial umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halbleitermaterial des Lochquantenfilms (1) ein III-V-Mischungshalbleiter aus wenigstens vier Elementen ist, wobei wenigstens zwei der Elemente ausgewählt sind aus Ga, In und Al, und wobei wenigstens zwei der Elemente ausgewählt sind aus As, Sb, P und N.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halbleitermaterial des Lochquantenfilms (1) ein quaternärer GaInSbAs-Mischungshalbleiter ist, der gegebenenfalls Beimengungen an Al, P und/oder N umfasst.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halbleitermaterial des Lochquantenfilms (1) ein quaternärer Ga_xIn_1-xSb_yAs_1-y-Mischungshalbleiter ist.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass y einen Wert zwischen 0,5 und 0,99 ist.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Grenzwert von y gleich 0,6 ist.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Grenzwert von y gleich 0,95 ist.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass x einen Wert größer als 0 und kleiner oder gleich 0,7 hat.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Grenzwert von x gleich 0,2 ist.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Grenzwert von x gleich 0,6 ist.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert x kleiner als 0,4 ist.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Lochquantenfilms (1) 2 nm bis 10 nm beträgt.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Lochquantenfilms (1) größer als 5 nm ist.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Lochquantenfilms (1) kleiner als 7,5 nm ist.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Halbleitermaterial des Elektronenquantenfilms (2) ein Mischungshalbleiter ausgewählt aus der Gruppe ist, die InAs, InAsSb, InGaAs InAlAs und GaInAsSb enthält.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Elektronenquantenfilms (2) zwischen 0,5 nm und 5 nm, insbesondere zwischen 1 nm und 3 nm, beträgt.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Elektronenquantenfilme (2) vorgesehen sind.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Halbleitermaterial des Kollektorquantenfilms (4) ein Mischungshalbleiter ausgewählt aus der Gruppe ist, die GaSb, GaInSb, GaSbAs, GaInAsSb, AlGaInSb, AlGaAsSb und AlGaInAsSb enthält.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Kollektorquantenfilms (4) 1 nm bis 5 nm, insbesondere 2 nm bis 4,5 nm, beträgt.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Halbleitermaterial des Injektorquantenfilms (I) ein Mischungshalbleiter ausgewählt aus der Gruppe ist, die InAs, InAsSb, InGaAs, InAlAs, AlInAsSb und GaInAsSb enthält.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die erste und die zweite Barierrenlage (3) ein Mischungshalbleiter aus der Gruppe ausgewählt ist, die AlSb, AlInSb, AlSbAs, AlGaSb und AlInAsSb enthält.
Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dicke eines Lochquantenfilms (1) zur Dicke eines benachbarten Elektronenquantenfilms (2) größer als 2, insbesondere größer als 2,5, ist.
Interbandkaskadenlaser mit einem Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Interbandkaskadenlaser nach Anspruch 22, wobei sich mehrere Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedien aneinanderreihen.
Interbandkaskadenlaser nach Anspruch 23, wobei sich die mehreren Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedien in den Übergangsenergien der strahlenden Übergänge zwischen dem Elektronenquantenfilm (2) und dem Lochquantenfilm (1) unterscheiden.