DE10243944A1 - Halbleiterlaser - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, der aufweist: DOLLAR A eine laseraktive Schicht (4, 8), DOLLAR A eine erste und eine zweite Barriereschicht (2, 5), zwischen denen die laseraktive Schicht (4, 8) ausgebildet ist und die jeweils eine größere Bandlücke als die laseraktive Schicht (4, 8) aufweisen, DOLLAR A Anschlusskontakte (1, 6) zum Anschluss an eine Spannungsquelle und zur Zufuhr von Ladungsträgern über die Barriereschichten (2, 5) in die laseraktive Schicht (4, 8), DOLLAR A wobei die in die laseraktive Schicht (4, 8) injizierten Ladungsträger mindestens eines Ladungsträgertyps eine bevorzugte Spinorientierung aufweisen. DOLLAR A Um einen geringen Schwellstrom bzw. eine hohe Lichtleistung zu erreichen, wird vorgeschlagen, die laseraktive Schicht (8) oder eine an die die laseraktive Schicht (4) angrenzende Zwischenschicht (3) ferromagnetisch halbleitend zur Ausbildung der bevorzugten Spinorientierung der Ladungsträger auszubilden und den Laser oberhalb des Schwellstroms und deutlich unterhalb des Sättingungsstroms zu betreiben.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik zu schaffen und insbesondere einen Halbleiterlaser mit geringem Schwellstrom zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Halbleiterlaser nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Erfindungsgemäss kann sowohl ein kantenemittierender als auch ein oberflächenemittierender Laser, z. B. ein VCSEL, geschaffen werden.
  • 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.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:
  • 1 den Aufbau eines kantenemittierenden Halbleiterlasers mit aktiver Volumenschicht gemäss einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 den Aufbau eines kantenemittierenden Halbleiterlasers mit aktivem Quantenfilm gemäss einer Ausführungsform;
  • 3 den Aufbau eines kantenemittierenden Halbleiterlasers mit aktiver ferromagnetischer Schicht gemäss einer Ausführungsform;
  • 4 den Aufbau eines oberflächenemittierenden Halbleiterlasers gemäss einer Ausführungsform;
  • 5 ein Diagramm der in der laseraktiven Schicht möglichen optischen Übergänge zwischen Leitungsband und Valenzband;
  • 6 ein Diagramm der Lichtleistung in Abhängigkeit vom Laser-Injektionsstrom bei a) Injektion spionolarisierter Elektronen und b) Injektion unpolarisierter Elektronen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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+).
  • 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.
  • 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.

Claims (19)

  1. Halbleiterlaser, der aufweist: eine laseraktive Schicht (4, 8), eine erste und eine zweite Barriereschicht (2,5), zwischen denen die laseraktive Schicht (4,8) ausgebildet ist und die jeweils eine größere Bandlücke als die 1aseraktive Schicht (4,8) aufweisen, Anschlusskontakte (1,6) zum Anschluss an eine Spannungsquelle und zur Zufuhr von Ladungsträgern über die Barriereschichten (2,5) in die laseraktive Schicht (4,8), wobei die in die laseraktive Schicht (4,8) injizierten Ladungsträger mindestens eines Ladungsträgertyps eine bevorzugte Spinorientierung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die laseraktive Schicht (8) oder eine an die laseraktive Schicht (4) angrenzende Zwischenschicht (3) ferromagnetisch halbleitend zur Ausbildung der bevorzugten Spinorientierung der Ladungsträgerspins zumindest eines Ladungsträgertyps ist.
  2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische Schicht (3, 8) derartig magnetisiert ist, dass die Spins des zumindest einen Ladungsträgertyps zumindest teilweise parallel zur Richtung der Laseremission ausgerichtet werden.
  3. Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein ferromagnetischer Metallkontakt, vorzugsweise ein Anschlusskontakt (1) (1,6), ferromagnetisch ist und ein magnetisches Feld aufweist, das in die Richtung der Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht (3,8) weist.
  4. Halbleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine ferromagnetische Metallkontakt (1) Eisen, eine Heusler-Legierung, einen Doppelperowskit oder Magnetit aufweist.
  5. Halbleiterlaser nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische halbleitende Schicht (3,8) ein Halbleitermaterial mit ferromagnetischen Clustern zur Ausrichtung der Spins der Ladungsträger, vorzugsweise der Elektronen, aufweist.
  6. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetischen Cluster Nanocluster, vorzugsweise mit einem Durchmesser von mindestens 200 nm sind.
  7. Halbleiterlaser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische halbleitende Schicht (3,8) eine Legierung aus Gallium, Mangan und Arsen mit MnAs-Nanoclustern, eine Legierung aus Ga, Mn und N mit MnN-Clustern, oder eine Legierung aus Indium, Gallium, Aluminium und Arsen mit Mn-Clustern ist.
  8. Halbleiterlaser nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laseraktive Schicht (4) ein Quantenfilm ist.
  9. Halbleiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der aktiven Schicht (4) aufgrund einer Druckverspannung das Leichtlochband energetisch näher am Leitungsband liegt als das Schwerlochband.
  10. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die laseraktive Schicht (4, 8) ein Volumenmaterial, vorzugsweise mit einer Verspannung des Halbleitermaterials zur teilweisen Aufhebung der Schwerloch-Leichtloch-Entartung ist.
  11. Halbleiterlaser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die laseraktive Schicht (4, 8) mindestens einen Quantentopf oder Quantenpunkt, z. B. einen (100) (GaIn)As-Quantentopf, aufweist.
  12. Halbleiterlaser nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der laseraktiven Schicht (4) überwiegend Elektronen des Leitungsbandes (CB) mit Löchern des Schwerlochbandes (HH) rekombinieren, z. B. Elektronen des Leitungsbandes mit Spin s = – 1/2 mit Löchern des Schwerlochbandes (HH) mit Spin s = -3/2.
  13. Halbleiterlaser nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (3) und/oder die laseraktive Schicht (4,8) ein Halbleitermaterial mit schwachem Dyakonov-Perel-Mechanismus zur Reduzierung der Spindephasierung, z. B. einen ZnSe- oder einen (110)-GaAs-Quantenfilm aufweist.
  14. Halbleiterlaser nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinrelaxationszeit der injizierten spinpolarisierten Ladungsträger grösser oder gleich der durchschnittlichen Rekombinationszeit der Elektronen und Löcher in der laseraktiven Schicht (4, 8) ist.
  15. Halbleiterlaser nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er oberflächenemittierend, vorzugsweise als VCSEL mit zwei Bragg-Reflektoren (4, 7), ausgebildet ist.
  16. Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass er kantenemittierend ist.
  17. Halbleiterlaser nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschichten (2,5) dotiertes InGaAlAs aufweisen,
  18. Halbleiterlaser nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine untere Barriereshcicht (5) , auf der die laseraktive Schicht (4) aufgetragen ist, p-dotiertes InGaAIAs gitterangepasst auf p-dotiertem (110)-InP-Substrat aufweist.
  19. Halbleiterlaser nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinausrichtung durch eine zumindest teilweise ferromagnetische Zenerdiode erfolgt.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2460666A (en) * 2008-06-04 2009-12-09 Sharp Kk Exciton spin control in AlGaInN quantum dots
EP2211431A1 (de) * 2009-01-22 2010-07-28 Universität Bremen Bragg-Spiegel mit Übergitter zur Kompensation einer Gitterfehlanpassung
CN109412016A (zh) * 2018-10-25 2019-03-01 长春理工大学 能够发射涡旋空心光的垂直腔面发射半导体激光器
DE102018105345A1 (de) * 2018-03-08 2019-09-12 RUHR-UNIVERSITäT BOCHUM Vorrichtung zur Injektion spinpolarisierter Ladungsträger und zur Reflexion von Licht

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3986194A (en) * 1974-08-15 1976-10-12 National Research Institute For Metals Magnetic semiconductor device
US5874749A (en) * 1993-06-29 1999-02-23 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Polarized optical emission due to decay or recombination of spin-polarized injected carriers

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3986194A (en) * 1974-08-15 1976-10-12 National Research Institute For Metals Magnetic semiconductor device
US5874749A (en) * 1993-06-29 1999-02-23 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Polarized optical emission due to decay or recombination of spin-polarized injected carriers

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BENSON, O., u.a.: Regulated and Entangled Photons from a Single Quantum Dot. in: Physical Review Letters, Vol. 84, No. 11, 2000, S. 2513-2516 *
GRUNDMANN, M., u.a.: Neuartige Halbleiterlaser auf der Basis von Quantenpunkten, in: Laser und Optoelektronik, Vol. 30, No. 3, 1998, S. 70-77
GRUNDMANN, M., u.a.: Neuartige Halbleiterlaser aufder Basis von Quantenpunkten, in: Laser und Optoelektronik, Vol. 30, No. 3, 1998, S. 70-77 *
KIM, J.K., u.a.: Epitaxially-stacked multiple- acive-region 1.55µm lasers for increased differential efficiency, in: Applied Physics Letters, Vol. 24, No. 22, 1999, S. 3251-3253
KIM, J.K., u.a.: Epitaxially-stacked multiple- acive-region 1.55mum lasers for increased differential efficiency, in: Applied Physics Letters, Vol. 24, No. 22, 1999, S. 3251-3253 *
OESTREICH, M., u.a.: Spin injection, spin transport and spin coherence, in: Semicond. Sci. Technol., Vol. 17, 2002, S. 285-297 *
STRASS, A., STEGMÜLLER, B.: Quantum-Well-Laser - Die neue Generation der Halbleiterlaser, in: Laser und Optoelektronik, Vol. 26, No. 3, 1994, S. 59-67 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2460666A (en) * 2008-06-04 2009-12-09 Sharp Kk Exciton spin control in AlGaInN quantum dots
EP2211431A1 (de) * 2009-01-22 2010-07-28 Universität Bremen Bragg-Spiegel mit Übergitter zur Kompensation einer Gitterfehlanpassung
DE102018105345A1 (de) * 2018-03-08 2019-09-12 RUHR-UNIVERSITäT BOCHUM Vorrichtung zur Injektion spinpolarisierter Ladungsträger und zur Reflexion von Licht
WO2019170517A1 (de) * 2018-03-08 2019-09-12 RUHR-UNIVERSITäT BOCHUM Vorrichtung zur injektion spinpolarisierter ladungsträger und zur reflexion von licht
DE102018105345A8 (de) * 2018-03-08 2020-04-16 RUHR-UNIVERSITäT BOCHUM Vorrichtung zur Injektion spinpolarisierter Ladungsträger und zur Reflexion von Licht
CN111819745A (zh) * 2018-03-08 2020-10-23 波鸿鲁尔大学 用于注入自旋极化的电荷载流子并反射光的装置
CN111819745B (zh) * 2018-03-08 2024-03-26 波鸿鲁尔大学 用于注入自旋极化的电荷载流子并反射光的装置
CN109412016A (zh) * 2018-10-25 2019-03-01 长春理工大学 能够发射涡旋空心光的垂直腔面发射半导体激光器

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