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Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Im allgemeinen werden in Halbleiterlasern die
Ladungsträger,
d.h. Elektronen und Löcher, über einen
Kathodenanschluss und einen Anodenanschluss in die Barriereschichten
eingebracht, zwischen denen die laseraktive Schicht bzw. laseraktive Zone
ausgebildet ist. Die Elektronen und Löcher wandern von den Barriereschichten,
die bei Halbleiterlasern mit Doppel-Heterostruktur eine grössere Bandlücke zwischen
Valenzband und Leitungsband aufweisen als die laseraktive Schicht,
in die laseraktive Schicht, in der sie die für den Laser erforderliche Besetzungsinversion
bilden.
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In derartigen Halbleiterlasern wird
im allgemeinen eine geringe Schwellstromdichte angestrebt. Hierdurch
kann der Anteil der elektrischen Leistung, der nicht in Licht umgewandelt
wird, verringert werden, wobei höhere
Quantenwirkungsgrade, eine geringere Wärmeentwicklung und eine schnelle
Modulation ohne großen
Vorstrom möglich
sind.
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Die
US
5,874,749 zeigt eine Einrichtung zum Erzeugen zirkular
polarisierten Lichtes mit einer Licht emittierenden Halbleiter-Heterostruktur
und ferromagnetischen Stromanschlusskontakten mit einem magnetischen
Moment, die in elektrischem Kontakt mit einer Schicht der Halbleiter-Heterostruktur
sind. Die lichtemittierende Halbleiter-Heterostruktur kann insbesondere
eine lichtemittierende Diode (LED) sein. Der ferromagnetische Kontakt
injiziert spinpolarisierte Ladungsträger in die Halbleitereinrichtung,
die mit den entgegengesetzten Ladungsträgern rekombinieren, um zirkular
polarisiertes Licht zu erzeugen.
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In dem Artikel „Spin injection, spin transport and
spin coherence" in
Semicond. Sci. Technol.7 (2Q02) 285-297 ist ein VCSEL (vertical
cavity surface emitting laser bzw. oberflächenemittierender Laser mit
vertikaler Kavität)
beschrieben, der auf den Außenseiten
der Braggspiegel angebrachte ferromagnetische Anschlusskontakte
zur Injektion spinpolarisierter Elektronen oder Löcher aufweist.
Nachteilhaft ist hierbei, dass bei dem Transport der spinpolarisierten
Ladungsträger – insbesondere
bei Raumtemperatur – durch
die Bragg-Spiegel in die aktive Schicht eine erhebliche Spindephasierung
bzw. Spinrelaxation stattfindet, so dass zwar das vorgeschlagene Schalten
der Polarisation prinzipiell möglich
ist, der Schwellstrom des Lasers jedoch nicht oder nur unerheblich
beeinflusst wird.
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In D. Young et al., "Optical, electrical
and magnetic manipulation of spins in semiconductors", Semiconducture
Science and Technology 17, 2002, 5.275-284, wird eine spinpolarisierende,
teilweise ferromagnetische Zener-Diode beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verbesserungen
gegenüber
dem Stand der Technik zu schaffen und insbesondere einen Halbleiterlaser mit
geringem Schwellstrom zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Halbleiterlaser
nach Anspruch 1 gelöst.
Die Unteransprüche
beschreiben bevorzugte Weiterbildungen.
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Erfindungsgemäß werden Ladungsträger mit bevorzugter
Spinpolarisation bzw. Spinausrichtung in die laseraktive Schicht
injiziert. Vorteilhafterweise erfolgt eine Ausrichtung lediglich
der Elektronen, wobei insbesondere Elektronen mit überwiegend
Spin -1/2 oder überwiegend
Spin +1/2 injiziert werden; grundsätzlich ist jedoch ergänzend oder
alternativ hierzu auch die Injektion von spinpolarisierten Löchern, z.
B. auch mit Spin – 3/2,
möglich.
Hierbei wird vorteilhafterweise die Emissionsrichtung der Laserstrahlung und
die Spinorientierung der Ladungsträger derartig gewählt, dass
die strahlende Rekombination der spinausgerichteten Ladungsträger, d.h.
der Elektronen oder Löcher,
mit den unpolarisierten oder polarisierten, entgegengesetzten Ladungsträgern aufgrund der
optischen Auswahlregeln bevorzugt aus einer einzigen zirkularen
Polarisationsrichtung des Lichtes besteht. Vorzugsweise werden die
Ladungsträgerspins
somit parallel zur Richtung der Laseremission, d.h. in Richtung
oder entgegengesetzt zur Richtung der Laseremission ausgerichtet.
Vorteilhafterweise kann der Laser oberhalb des Schwellstroms und deutlich
unterhalb des Saettigungsstroms betrieben werden.
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Anders als in Semicond. Sci. Technol.7 (2002)
285-297 ist erfindungsgemäß die laseraktive Schicht
selbst ferromagnetisch, oder eine ferromagnetische halbleitende
Zwischenschicht grenzt an sie, d.h. liegt unmittelbar an ihr oder
ist nur durch eine dünne
Grenzschicht von z. B. einigen 100 Nanometern oder einen Tunnelfilm,
der von den spinpolarisierten Ladungsträgern durchtunnelt werden kann, getrennt.
Falls eine dünne
Grenzschicht bzw. ein Tunnelfilm zwischen der ferromagnetischen
halbleitenden Zwischenschicht und der laseraktiven Schicht vorgesehen
ist, beeinflussen diese die Spinpolarisation der Ladungsträger beim
Transport in die aktive Schicht aufgrund der kurzen Transportdauer
allenfalls in vernachlässigbarem
Umfang. Die Transportdau er in der eventuell vorgesehenen dünnen Grenzschicht
bzw. dem Tunnelfilm ist somit kürzer,
vorzugsweise deutlich kürzer
als, insbesondere vernachlässigbar
gegenüber
der Spinrelaxationszeit der polarisierten Ladungsträger.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass
bei der Injektion von unpolarisierten Ladungsträgern eine gleichmässige Besetzung
von Spin -1/2 und Spin +1/2-Zuständen
bzw. Spin -3/2 und Spin +3/2-Zuständen der Ladungsträger – d.h. Elektronen im
Leitungsband bzw. Löcher
im Valenzband – erfolgt.
Da bei der Rekombination der Ladungsträger unter gewissen Voraussetzungen
gemäss
den optischen Auswahlregeln eine Spinrichtung der Ladungsträger mit
einer zirkularen Polarisationsrichtung des emittierten Lichtes verknüpft ist,
steht bei der Injektion von unpolarisierten Ladungsträgern nur die
Hälfte
der Ladungsträger
für jede
einzelne Polarisationsrichtung zur Verfügung. Erfindungsgemäß kann nunmehr
eine höhere
Ausbeute der Ladungsträger
für die
stimulierte Emission erhalten werden, wenn der elektrische Strom
oberhalb des Schwellstroms und unterhalb des Sättigungsstroms des Lasers ist.
Anders als in der
US 5,874,749 werden
die spinpolarisierten Ladungsträger
hierbei in einem Halbleiterlaser zur Erzeugung einer stimulierten Emission
und nicht in einer lichtemittierenden Diode (LED) verwendet. Demgegenüber ergibt
sich erfindungsgemäß der Vorteil,
dass die stimulierte Emission die Lebensdauer der Ladungstraeger
reduziert und somit Spindephasierung eine deutlich geringere Rolle
spielt.
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Erfindungsgemäss kann zusätzlich ein außen aufgebrachter
Metallkontakt – insbesondere
einer der elektrischen Anschlusskontakte – magnetisiert sein. Hierdurch
wird die Magnetisierung des ferromagnetischen Halbleiters stabilisiert
und insbesondere eine Ummagnetisierung verhindert. Weiterhin kann
hierdurch die Ausrichtung der Spins unterstützt werden.
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Vorzugsweise weist die Zwischenschicht und/oder
die laseraktive Schicht ein Material auf, dass die Spinausrichtung
der Elektronen beim Transport in die laseraktive Schicht zumindest
teilweise erhält.
Hierzu werden Halbleitermaterialien mit langsamer Elektronenspinrelaxaktion
bei der betreffenden Betriebstemperatur genommen, insbesondere Halbleitermaterialien
mit geringer Spin-Bahn-Wechselwirkung, z. B. Halbleiter mit grosser
Bandlücke
wie Zinkselenid (ZnSe), oder Halbleiterstrukturen mit unterdrücktem Dyakonov-Perel-Mechanismus,
z. B. (110)-GaAs-Quantenfilme.
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Erfindungsgemäss kann sowohl ein kantenemittierender
als auch ein oberflächenemittierender Laser,
z. B. ein VCSEL, geschaffen werden.
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Die Spinausrichtung kann erfindungsgemäß auch durch
eine spinpolarisierende, teilweise ferromagnetische Zener-Diode
erfolgen, die grundsätzlich bereits
aus D. Young et a1., "Optical,
electrical and magnetic manipulation of spins in semiconductors", Semiconducture
Science and Technology 17, 2002, S. 275-284, bekannt ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es
zeigen:
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1 den
Aufbau eines kantenemittierenden Halbleiterlasers mit aktiver Volumenschicht
gemäss
einer Ausführungsform
der Erfindung;
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2 den
Aufbau eines kantenemittierenden Halbleiterlasers mit aktivem Quantenfilm
gemäss
einer Ausführungsform;
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3 den
Aufbau eines kantenemittierenden Halbleiterlasers mit aktiver ferromagnetischer Schicht
gemäss
einer Ausführungsform;
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4 den
Aufbau eines oberflächenemittierenden
Halbleiterlasers gemäss
einer Ausführungsform;
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5 ein
Diagramm der in der laseraktiven Schicht möglichen optischen Übergänge zwischen Leitungsband
und Valenzband;
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6 ein
Diagramm der Lichtleistung in Abhängigkeit vom Laser-Injektionsstrom
bei a) Injektion spionolarisierter Elektronen und b) Injektion unpolarisierter
Elektronen.
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Ein Halbleiterlaser 7 ist
gemäß 1 kantenemittierend ausgebildet
und weist eine z. B. 500 nm dicke laseraktive Schicht 4z.
B. aus einem III-V-Halbleiter wie GaAs, oder InGaAs mit einer zu
den Schichten 2,3,5 vergleichsweise kleinen
Bandlücke auf,
auf der eine n-dotierte oder undotierte ferromagnetische Halbleiterschicht 3 aufgetragen
ist, die eine Magnetisierung parallel – d.h. in Richtung oder entgegengesetzt
zur Richtung der Laserstrahlung – aufweist. Die Schichten 3, 4 sind
zwischen einer p-dotierten unteren Barriereschicht 5 und
einer ndotierten oberen Barriereschicht 2 angeordnet, die
eine größere Bandlücke als
die laseraktive Schicht 4 aufweisen. Vorteilhafterweise
ist die laseraktive Schicht 4 auf der Barriereschicht 5 mit
einer Verspannung aufgetragen. Auf der oberen Barriereschicht 2 ist
ein Kathodenkontakt 1 bzw. Metallkontakt zur Injektion
von Elektronen aufgebracht; entsprechend ist unterhalb der unteren
Barriereschicht 5 ein Anodenanschluss 6 bzw. Metallkontakt
zur Injektion von Löchern
aufgebracht.
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Bei der Ausführungsform der 2 ist die laseraktive Schicht 4 gegenüber der
Ausführungsform der 1 dünner ausgebildet. Bei dieser
aktiven dünnen
Halbleiterschicht bzw. aktivem Quantenfilm 4 mit kleiner
Bandlücke
treten Quantisierungseffekte auf. Durch die Druckverspannung des
aktiven Quantenfilms 4 ist das Leichtlochband energetisch
näher an
das Leitungsband geschoben als das Schwerlochband. Bei den Ausführungsformen
der 1, 2 können
die Barriereschichten 2 und 5 in an sich bekannter
Weise mehrschichtig ausgebildet sein; erfindungsgemäß kann dann
die ferromagentische Schicht 3 als unterste Teilschicht
der oberen Barriereschicht 2 ausgebildet sein. Ebenso kann
auch die gesamte Schicht 2 ferromagnetisch sein.
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Bei der Ausführungsform der 3 ist die laseraktive Schicht 8 selbst
ferromagnetisch halbleitend ausgebildet und direkt zwischen den
Barriereschichten 2, 5 angeordnet. Die Magnetisierung
der laseraktiven Schicht 8 verläuft wiederum derartig, dass
die Spins der injizierten Elektronen parallel zur Richtung der Laseremission
ausgerichtet werden. Auch bei dieser Ausführungsform können die
Barrierenschicht 2 und 5 in an sich bekannter
Weise mehrschichtig ausgebildet sein.
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In der Ausführungsform der 4 ist der Halbleiterlaser als VCSEL (vertical
cavity surface emitting laser bzw. oberflächenemittierender Laser mit
vertikaler Kavität)
aufgebaut mit einer laseraktiven Schicht 4 z. B. aus einem
III-V-Halbleiter wie GaAs oder einem II-VI- Halbleiter. Die laseraktive Schicht 4 kann
wiederum dünn
und/oder verspannt sein. Erfindungsgemäß können ein Volumenmaterial oder
Quantentöpfe
oder Quantenpunkte (aus z. B. InGaAs in GaAs) ausgebildet sein.
Unterhalb der 1a seraktiven Schicht 4 ist als p-dotierte
untere Barriereschicht 5 ein Braggreflektor bzw. dielektrischer Spiegel
mit alternierenden Schichten 14, 15 vorgesehen.
Entsprechend ist oberhalb der ferromagnetischen Schicht 3 eine
n-dotierte obere Barriereschicht 2 mit alternierenden Schichten 10, 11 vorgesehen. Die
Barriereschichten 2, 5 weisen wiederum eine größere Bandlücke als
die laseraktive Schicht 4 auf. Die laseraktive Schicht 4 zwischen
den Braggreflektoren 2,5 kann in an sich bekannter
Weise mehrschichtig aufgebaut sein und die Schicht (3)
kann auch Teil des Braggreflektors (2) sein. Die alternierenden
dielektrischen Schichten 5, 6 bzw. 10, 11 weisen
jeweils eine optische Dicke λ/4
und unterschiedliche Brechungsindices auf und können z. B. aus A1GaAs und GaAs bestehen.
Die laseraktive Schicht 4 und dies Barriereschichten 2, 5 bilden
einen VCSEL-Resonator. Auf den Barriereschichten 2, 5 sind wiederum
ein Kathoden-Rnschlusskontakt 1 und ein Anoden-Anschlusskontakt 6 vorgesehen.
Alternativ zu dieser Ausbildung kann der obere Bragg-Reflektor 2 auch
zwischen den Bereichen des Anschlusskontakts 1 aufgetragen
sein.
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Erfindungsgemäss werden bei allen Ausführungsformen
vorteilhafterweise spinpolarisierte Elektronen in die laseraktive
Schicht 4 injiziert, wobei die Spinausrichtung bei 1, 2 und 4 in
der halbleitenden ferromagnetischen Zwischenschicht 3 und
bei Fi.g. 3 in der halbleitenden ferromagnetischen laseraktiven
Schicht 8 erfolgt. Die halbleitenden ferromagnetischen
Schichten 3, 8 können insbesondere ferromagnetische
Cluster aufweisen; es können
hierzu z. B. Mn(Ga)As-Nano-Cluster verwendet werden, die in GaP,s
oder einer paramagnetischen Ga1–
x MnxAs-Matrix angeordnet
sind. Weiterhin können
in dieser Legierung MnAs-Nano-Cluster durch z. B. MOCVD oder Molekularstrahlepitaxie
bei niedrigen Temperaturen ausgebildet werden. Weiterhin kann InGaAlAs
mit Mn-Clustern
verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich zu den Clustern kann
auch Mn einlegiert sein, durch das eine quasi vollständige Polarisierung
der Elektronenspins im Leitungsband durch die Zeeman-Aufspaltung
der Leitungsbandzustände
aufgrund der Spin-Bahn-Wechselwirkung der Spins der Bandzustände und
der 5/2-Spins der Mn2+-Ionen erreicht werden
kann. Als ferromagnetischer Halbleiter kann auch GaMnN verwendet
werden, dass eine hohe Curietemperatur aufweist.
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Ergänzend kann gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ein Anschlusskontakt 1 aus einem ferromagnetischen Material
wie insbesondere Eisen, aber auch einer Heusler-Legierung, einem
Doppelperowskit oder Magnetit mit geeigneter Magnetisierung bzw.
magnetischem Moment hergestellt sein und durch sein Magnetfeld die
Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 3 bzw. 8 stabilisieren. Grundsätzlich können auch
beide Anschlusskontakte ferromagnetisch sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist
bei 2 die obere Barriereschicht 2 aus
einem Halbleiter mit großer
Bandlücke,
wie z. B. n-dotiertem InGaAlRs hergestellt. Die ferromagnetische
Schicht 3 kann z. B. n-dotiertes InGaAlRs mit Mn-Clustern aufweisen.
Die laseraktive Schicht 4 weist ein Schichtmaterial mit
langsamer Spindephasierung bzw. Spinrelaxation der spinorientierten
Elektronen aufgrund eines schwachen Dyakonov-Perel-Mechanismus auf,
z. B. ein InGaAs-Material wie z. B. In0.65Ga0.35As . Die laseraktive Schicht 4 ist
hierbei als Quantenfilm ausgebildet, der eine Druckverspannung aufgrund
der Gitteranpassung an die Barriereschicht 5 aufweist,
wodurch das Leichtlochband energetisch näher an das Leitungsband geschoben
ist als das Schwerlochband. Hierzu kann die untere Barriereschicht 5 einen
Halbleiter mit großer
Bandlücke wie
z. B. pdotiertes InGaAlAs gitterangepasst auf p-dotiertem (110)-InP-Substrat aufweisen.
Das Wachstum auf dem (110)-InP-Substrat reduziert somit in dem Quantenfilm 4 aus
In0.65Ga0.35As den
Dyako nov-Perel-Mechanismus. Der Kathodenanschlusskontakt 1 ist
ferromagnetisch und magnetisiert; der Anoden-Anschlusskontakt 6 zur
Injektion von Löchern
kann z. B. Indium als Schichtmaterial aufweisen.
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In 5 sind
beispielhaft für
die Ausführungsform
der 4 die idealisierten
optischen Auswahlregeln eines GaAs-Quantenfilms für die Lichtemission in Wachstumsrichtung
gezeigt. Hierbei werden zunächst
Vielteilcheneffekte und Effekte bei k ≠ 0 vernachlässigt. Das Valenzband ist aufgrund
der Spin-Bahn-Wechselwirkung
in dem GaAs-Quantenfilm energetisch aufgespalten in ein Schwerlochband HH,
ein Leichtlochband LH und ein Split-Off-Band SO. Bei niedrigen Temperaturen
ist hierbei das Leichtlochband nur schwach besetzt. Bei höheren Temperaturen,
hohen Ladungsträgerdichten
oder breiten Quantenfilmen ist auch das Leichtlochband besetzt.
Eingezeichnet sind die erlaubten optischen Übergänge für das Leitungsband CB mit Elektronen mit
Spin= f1/2, das Schwerlochband HH mit Löchern mit Spin= ±3/2),
das Leichtlochband LH mit Spin= ±1/2 und das Split-Off-Band
SO mit Spin= ±1/2.
Weiterhin sind die relativen Übergangswahrscheinlichkeiten
neben den die Übergänge anzeigenden
Pfeilen angegeben. Die durch einen durchgezogenen Pfeil beschriebenen
optischen Übergänge sind rechtszirkular
polarisiert (σ-),
die mit einem gestrichelten Pfeil gezeigten optischen Übergänge sind linkszirkular
polarisiert (σ+).
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Gemäss 5 emittieren somit Elektronen mit Spin – 1/2 aufgrund
der Auswahlregeln bei Rekombination mit schweren Löchern des
Schwerlochbandes HH mit Spin -3/2 linkszirkular polarisiertes Licht σ+. Dieser Übergang
ist bei niedrigen Temperaturen dominant, da das Leichtlochband hier
nur schwach besetzt ist. Bei hohen Temperaturen, hohen Ladungsträgerdichten
oder in Volumenmaterial ist auch das Leichtlochband besetzt und
Elektronen mit Spin 1/2 emittieren mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit
auch rechtszirkular polarisiertes Licht σ-; diese Emission ist jedoch
deutlich schwächer,
da die Übergangswahrscheinlichkeit
für den
Schwerlochübergang
dreimal stärker
ist als für
den Leichtlochübergang.
Das Split-Off-Band spielt bei GaAs und den meisten anderen direkten
Halbleitern hierbei keine Rolle, da es energetisch weit entfernt
ist, z. B. ca. 340 meV bei GaAs. Bei. der oben beschriebenen Ausführungsform
der 2 mit druckverspanntem
Quantenfilm 4 liegt entsprechend das Leichtlochband LH höher als
das Schwerlochband HH.
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6 zeigt
die Lichtleistung P in Abhängigkeit
von dem Laser-Injektionsstrom I für die durchgezogene Kurve a
bei Injektion spinpolarisierter Elektronen und die gestrichelte
Kurve b bei Injektion unpolarisierter Elektronen. Die bei herkömmlichen Halbleiterlasern
auftretende Injektion von unpolarisierten Elektronen führt zu einer
gleichmässigen
Besetzung von Spin – 1/2
und Spin + 1/2 -Zuständen.
Es stehen nur die Hälfte
der Ladungsträger
für die
linkszirkular polarisierte Emission (und entsprechend für die rechts
zirkularpolarisierte Emission) zur Verfügung. Indem erfindungsgemäss entsprechend
der Kurve a spinpolarisierte Elektronen, z. B. mit Spin -1/2, injiziert
werden, wird oberhalb des Schwellstroms bei gleicher injizierter
Ladungsträgerdichte bzw.
gleichem Injektionsstrom I eine höhere Lichtleistung P erreicht.
Dies entspricht einer höhere
Verstärkung
für das
z. B. linkszirkular polarisierte Licht (σ+ -Licht), so dass ein geringerer
Schwellstrom des Lasers erreicht wird. Oberhalb des Sättigungsstroms kann
im allgemeinen eine Umkehrung des Effektes auftreten, da bei hohen
spinpolarisierter Strömen
frueher eine Sättigung
eintritt als bei unpolarisierten Strömen.