DE10353389B4

DE10353389B4 - Halbleiterlaser zur Lichtemission im MIR-Bereich

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Publication number: DE10353389B4
Application number: DE2003153389
Authority: DE
Inventors: Carmen Dr. Mermelstein; Joachim Prof. Dr. Wagner; Johannes Dr. Schmitz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2003-11-14
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2023-11-15
Also published as: DE10353389A1

Abstract

Halbleiterlaser mit einer Anzahl n in periodischer Abfolge wiederkehrender als gekoppelte Quantenfilme ausgebildeter optisch aktiver Schichtbereiche, die jeweils wenigstens drei Halbleiterschichten aufweisen, von denen eine erste und zweite Halbleiterschicht miteinander wechselwirkende Leitungsband-Energie-Niveaus aufweisen, wobei die erste und zweite Halbleiterschicht durch wenigstens eine dritte, diskrete, quantisierte Löcher-Energiezustände aufweisende Halbleiterschicht räumlich voneinander getrennt sind, und mit einer Anzahl n – 1 Barriereschichten, von denen jeweils eine Barriereschicht zur räumlichen Trennung zweier benachbart angeordneter, optisch aktiver Schichtbereiche vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die den optisch aktiven Schichtbereich bildenden Halbleiterschichten sowie auch die Barriereschichten Schichtdicken in der Größenordnung von 3 bis 10 Monolagen (ML), bestehend jeweils aus einem Halbleitermaterial, aufweisen, so dass eine endlich große quantenmechanische Kopplung der Wellenfunktionen der wechselwirkenden Leitungsband-Energie-Niveaus der ersten und zweiten Halbleiterschichten zweier benachbart gelegener, durch jeweils eine Barriereschicht voneinander getrennter optisch aktiver Schichtbereiche vorliegt und sich gekoppelte Leitungsband-Energie-Niveaus in Form von Minibändern ausbilden, die sich über alle optisch...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser mit einer Anzahl n sich in periodischer Abfolge wiederkehrenden, als gekoppelte Quantenfilme ausgebildete, optisch aktive Schichtbereiche, die jeweils wenigstens drei Halbleiterschichten aufweisen, von denen eine erste und zweite Halbleiterschicht miteinander wechselwirkende Leitungsband-Energie-Niveaus aufweisen, wobei die erste und zweite Halbleiterschicht durch wenigstens eine dritte, diskrete, quantisierte Löcher-Energiezustände aufweisende Halbleiterschicht räumlich voneinander getrennt sind, und mit einer Anzahl n – 1 Barriereschichten, von denen jeweils eine Barriereschicht zur räumlichen Trennung zweier benachbart angeordneter, optisch aktiver Schichtbereiche vorgesehen ist.

Allen bekannten Halbleiterlaser zur Erzeugung von Laserlicht mit Wellenlängen größer gleich 2,5 μm liegt das technische Problem zugrunde, die die Lichtemission bestimmenden Übergangsenergien innerhalb des optisch aktiven Schichtbereiches des Halbleiterlasers möglichst klein zu wählen, um Licht mit den gewünschten großen Wellenlängen zu erhalten. Die stimuliert auftretenden, photoaktiven Elektronenübergänge stehen jedoch aufgrund der nur kleinen Energielücke in Konkurrenz zu Auger-Rekombinationen, deren Wahrscheinlichkeit i. A. von der Umgebungstemperatur abhängt. Um derartige, unerwünschte nichtstrahlende Rekombinationen zu unterdrücken, bedient man sich in an sich bekannter Weise zusätzlicher Kühltechniken, um die Betriebstemperatur des Halbleiterlasers herabzusetzen.

Eine weitere Schwierigkeit, die sich einem leistungsstarken MWIR (Mid-Wave-Infrared) bzw. LWIR (Long-Wave-Infrared)-Halbleiterfaser in den Weg stellt, betrifft einerseits das Bestreben ein möglichst großes Übergangsmatrixelement zu schaffen, das die Stärke der quantenmechanischen Kopplung zwischen dem die Lichtemission bestimmenden Elektronenübergang zwischen Leitungs- und Valenzband definiert, andererseits gilt es jedoch dafür Sorge zu tragen einen möglichst ausgeprägten Ladungsträgertransport durch die Schichtabfolge aller innerhalb des Halbleiterlasers am Laserprozess beteiligten optisch aktiven Schichten zu generieren, der zur Erzeugung und Aufrechterhaltung der für die Laseraktivität erforderlichen Besetzungsinversion notwendig ist. Beide genannten Forderungen stehen ebenfalls in Konkurrenz zueinander.

Da der Bedarf an derartigen langwelligen Halbleiterlasern sehr ausgeprägt ist und zudem signifikant zunimmt, gilt es die technischen Probleme zu überwinden. Beispielsweise finden derartige Laser vielfache Anwendung sowohl im militärischen sowie auch in zivilgenutzten Bereichen, beispielsweise im Einsatz in der Analytik zur kontaktfreien chemischen Untersuchung von Spurengasen oder ähnlichem. Jedoch besteht anwenderseitig der Wunsch nach möglichst leistungsstarken IR-Halbleiterlasern, die eine möglichst einfache Bedienung gestatten, d.h. möglichst ohne zusätzliche, vor allem ohne kryogene Kühlung, nahe Raumtemperatur arbeiten. Ferner soll der Halbleiterlaser eine möglichst geringe Schwellstromdichte aufweisen, ab der eine für die Lasertätigkeit erforderliche Besetzungsinversion erreicht wird.

Aus dem Artikel von C.H. Grein „Theoretical performance of InAs/In_xGa_1-xSb superlattice-based midwave infrared lasers", J. Appl. Phys. 76 (3), 1. August 1994, ist ein auf einer Übergitter-Struktur basierender Halbleiterlaser zu entnehmen. Insbesondere ist in dem Artikel ein sogenannter Typ-II InAs/GaInSb-Übergitter MWIR-Laser beschrieben, dessen Schichtabfolge und Schichtdicken derart gewählt sind, dass die Leitungsband-Energie-Niveaus der durch die Gallium-Indium-Antimonid-Schichten voneinander getrennten Indium-Arsenid-Schichten miteinander gekoppelt sind, d.h. die Wellenfunktionen der in den Leitungsband-Energie-Niveaus befindlichen Elektronen überlappen stark miteinander, so dass sich unter Ausbildung von schichtübergreifenden Minibändern ein quasi-dreidimensionales Elektronengas ausbildet, d.h. die Elektronen sind innerhalb der Minibänder delokalisiert und tragen auf diese Weise zu einem ausgeprägten Elektronentransport längs der in der Schichtabfolge angeordneten InAs-Schichten bei. In 3 ist schematisiert ein diesbezügliches Bänderschema der bekannten Schichtabfolge mit einer damit verbundenen Verteilung der Wellenfunktion bezüglich Elektronen Ψ_n(z) sowie für Löcher Ψ_p(z) dargestellt. Im Gegensatz zur delokalisierten Verteilung der Elektronen innerhalb der als Übergitterstruktur ausgebildeten InAs-Schichten bleiben die Löcher auf Grund Ihrer im Vergleich zu den Elektronen wesentlich grösseren Masse zentriert in den jeweiligen GaInSb-Schichten, was sich durch die starke Ausprägung der Maxima der Wellenfunktion der Löcher über den GaInSb-Schichten sowie den Minima innerhalb der InAs-Schichten entnehmen lässt.

Die am Laserprozess beteiligte optisch aktive Schicht ist zwischen zwei aus AlGaAsSb bestehenden Halbleiterschichten eingebettet, die als Wellenleiterschichten dienen und auf diese Weise zu einer Führung der optischen Welle in der Schichtebene und damit zur uni- bzw. bidirektionalen Laserstrahlemissions-Charakteristik beitragen. Auf weitere Einzelheiten bezüglich der in 3 eingetragenen Energie-Niveaus (E₁, H₁, H₂, H₃, L₁, S₁) hinsichtlich des dargestellten Leitungsbandes CB, Valenzbandes VB sowie des abgespaltenen Valenzbandes SO sollen an dieser Stelle nicht eingegangen werden. Mit Hilfe der in 3 dargestellten Halbleiterschicht-Anordnung konnte im Wege einer optischen sowie auch elektrischen Anregung Laserstrahlung mit Wellenlängen zwischen 3 und 4,5 μm erzeugt werden.

Der von Grein et al. eingeschlagene Weg des gezielten Einsatzes der Übergitterstruktur hinsichtlich aller am Laserprozess beteiligten optisch aktiven Schichtbereiche führt zwar aufgrund des nahezu uneingeschränkten Elektronentransportes zwischen allen Leitungsband-Energie-Niveaus aufweisenden Schichten zu einer nahezu vollständigen Beteiligung aller Schichten innerhalb des Halbleiterlasers am Laserprozess, doch ist mit der bekannten Schichtabfolge nur unbefriedigender optischer Gewinn zu erzielen.

Zur Überwindung des vorstehenden Problems ist eine weitere IR-Halbleiterlaser-Struktur bekannt, die aus der US 5,793,787 entnehmbar ist (siehe auch das in 4 dargestellte Bänderschema der bekannten Schichtabfolge). Zwischen zwei Halbleitermantelschichten, zum Zwecke der Wellenführung, ist eine Vielzahl von jeweils aus vier Einzelschichten bestehende Schichtabfolge vorgesehen, die gleichfalls als Typ II Halbleiterschichtabfolge in Form einer Quantentopf-Struktur ausgebildet ist. Im Einzelnen handelt es sich um zwei durch eine „Löcher-Topf-Schicht" getrennte „Elektronen-Topf-Schichten", beispielsweise zwei durch eine GaInSb-Schicht getrennte InAs-Schichten. Als vierte Schicht grenzt eine Barriere-Schicht an die vorstehend, als optisch aktive Schichtabfolge zu bezeichnende 3-Schichten-Kombination an. Die Schichtdickenwahl ist derart vorgenommen, dass die Wellenfunktionen der Elektronen innerhalb der optisch aktiven Schichtabfolge gekoppelt sind, d.h. miteinander überlappen. Die Barriere-Schicht ist jedoch derart gewählt, dass eine quantenmechanische Kopplung der Wellenfunktionen bezüglich Löcher wie auch Elektronen zwischen zwei durch jeweils eine Barriere-Schicht voneinander getrennt liegenden optisch aktiven Schichtbereichen nicht auftritt. Somit sind die Elektronen jeweils innerhalb der optisch aktiven Schichtbereiche gleichsam wie die Löcher lokalisiert. Dies hat zur Folge, dass die Oszilatorstärke des faseraktiven Elektronenübergangs verstärkt ausgebildet ist, d.h. auf diese Weise wird ein großes Übergangsmatrixelement erhalten, wodurch der optische Gewinn und die damit verbundene optische Ausgangsleistung des Halbleiterlasers verbessert werden sowie die Schwelle erniedrigt wird. Allerdings hindern die Barriereschichten die Ausbildung eines ausgeprägten Elektronentransportes.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend von dem vorstehend dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser mit einer Anzahl n sich in periodischer Abfolge wiederkehrenden, als gekoppelte Quantenfilme ausgebildete, optisch aktive Schichtbereiche, die jeweils wenigstens drei Halbleiterschichten aufweisen, von denen eine erste und zweite Halbleiterschicht miteinander wechselwirkende Leitungsband-Energie-Niveaus aufweisen, wobei die erste und zweite Halbleiterschicht durch wenigstens eine dritte, diskrete, quantisierte Löcher Energiezustände aufweisende Halbleiterschicht räumlich voneinander getrennt sind und mit einer Anzahl n – 1 Barriere-Schichten, von denen jeweils eine Barriere-Schicht zur räumlichen Trennung zweier benachbart angeordneter, optisch aktiver Schichtbereiche vorgesehen ist, derart weiterzubilden, dass die Austrittslichtleistung gegenüber den bisher bekannten Halbleiterlasern gesteigert werden soll, wobei darauf zu achten ist, dass der IR-Halbleiterlaser bei Raumtemperatur und geringer Schwellstromdichte betrieben werden soll. Insbesondere gilt es, einen im mittleren und langen Infrarot-Wellenlängenbereich emittierenden Halbleiterlaser anzugeben, dessen Herstellung mit den üblichen Mitteln der Halbleiterfertigung möglich ist und der zudem über eine hohe Betriebsstundenlebensdauer verfügt.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 und 13 angegeben. Vorteilhafte Merkmale sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist ein Halbleiterlaser gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart ausgebildet, dass die Barriere-Schichten jeweils eine Schichtdicke aufweisen, durch die eine endlich große quantenmechanische Kopplung der Wellenfunktionen der wechselwirkenden Leitungsband-Energie-Niveaus der ersten und zweiten Halbleiterschichten zweier benachbart gelegenen, durch jeweils eine Barriere-Schicht voneinander getrennten, optisch aktiven Schichtbereichen vorliegt. Anspruch 13 richtet sich auf einen Halbleiterlaser, bei dem die Rolle der Leitungs- bzw. Valenzbandkanten ausgetauscht sind, bei ansonst gleicher Funktionalität zur Lichterzeugung.

Die erfindungsgemäße Halbleiterstruktur vereint jeweils die mit den vorstehend beschriebenen bekannten Halbleiterstrukturen verbundenen Vorteile unter weitgehender Vermeidung der diesen jeweils anhaftenden Nachteile.

Eine quantenmechanische Kopplung der Wellenfunktionen der Leitungsband-Energie-Niveaus der jeweils ersten und zweiten Halbleiterschichten über die Barriere-Schichten hinweg stellt sich bei dem vorgeschlagenen (AlGaIn)(AsSb)-Materialsystem bei einer gezielten Schichtdickenwahl der einzelnen Halbleiter- und Barriere-Schichten in der Größenordnung 3 bis 15 Monolagen (ML), vorzugsweise 4 bis 10 ML ein. Der Begriff „Wellenfunktion der Leitungsband-Energie-Niveaus" ist grundsätzlich synonym zu verstehen zu „Elektronenverteilung" oder „Wellenfunktion der Elektronen im Leitungsband" Ψ_e(z).

In Anlehnung an die in der Druckschrift US 5,793,787 beschriebenen Halbleiterlaserstruktur sieht die erfindungsgemäße Halbleiterlaserstruktur, im Gegensatz zu dem beschriebenen Halbleiterlaser von Grein, ebenfalls eine Barriere-Schicht vor, jedoch weist die Barriere-Schicht eine Schichtdicke auf, die vergleichbar zu jenen ist, die innerhalb der jeweils optisch aktiven Schichtbereiche vorgesehen und als solche als Übergitterstruktur ausgebildet sind. Die erfindungsgemäß dimensionierten Barriere-Schichten innerhalb des Schichtenstapels dienen zum einen der Erhöhung des optischen Matrixelements, d.h. der Stärke der optischen Kopplung zwischen dem untersten Leitungsband-Niveau sowie dem obersten Valenzband-Niveau, wodurch der optische Gewinn verbessert wird, zum anderen jedoch behindern die nur wenige Monolagen dick ausgebildeten Barriere-Schichten den sich längs zur Schichtabfolge ausbildenden Elektronen- und Löchertransport nur geringfügig, der für eine Besetzungsinversion innerhalb aller optisch aktiven Schichtbereiche sorgen soll. Insbesondere im Falle einer elektrischen Anregung, bei der aufgrund eines längs aller, jeweils durch Barriere-Schichten voneinander getrennter optisch aktiver Schichtbereiche ein elektrisches Potential angelegt wird, durch das ein „Elektronen-Pump-Strom" längs zur Schichtabfolge eingeprägt wird, gilt es den eingeprägten Elektronentransport nicht wesentlich durch die Barriere-Schichten zu behindern. Dünnere Barriereschichten begünstigen auf ähnliche Weise den Löchertransport.

Im Gegensatz hierzu sei nochmals auf die bekannte Halbleiterlaserstruktur gemäß der zitierten US-5,793,787 verwiesen, bei der die Barriere-Schichten derart dick ausgebildet sind, so dass nur eine sehr schwache quantenmechanische Kopplung zwischen den Leitungsband-Energie-Niveaus benachbart zu einer jeweiligen Barriere-Schicht liegenden optischen Schichtbereiche vorherrscht. Hierdurch wird der Elektronentransport stark behindert, was letztlich zur Folge hat, dass optisch aktive Schichtbereiche, die in Elektronentransport-Richtung am weitest entfernt von der Elektroneneinspeisestelle liegen, nur noch ungenügend mit Elektronen zur Ausbildung einer Besetzungsinversion versorgt werden. Dies hat letztlich zur Folge, dass der Gesamtwirkungsgrad der Halbleiterlaserstruktur deutlich herabgesetzt ist. Um dies zu vermeiden, d.h. dafür Sorge zu tragen, dass sämtliche innerhalb der Halbleiterlaserstruktur vorhandenen optisch aktiven Schichtbereiche ausreichend mit Elektronen zur Ausbildung einer Besetzungsinversion versorgt werden gilt es, die Schichtdicken der Halbleiterschichten innerhalb der optisch aktiven Schichtbereiche sowie der jeweiligen Barriere-Schichten nur wenige Monolagen dick zu wählen. Hierdurch spalten die gekoppelten Leitungsband-Energie-Niveaus in so genannte Minibänder auf, die sich über alle optisch aktiven Schichtbereiche hinweg überlappen. Innerhalb der sich überlappenden Minibänder bildet sich ein auf einem dreidimensionalen Elektronengas beruhender Elektronentransport längs der Schichtabfolge aus. Zugleich bleiben die Löcher innerhalb diskreter, quantisierter Energiezustände in den jeweiligen dritten Halbleiterschichten lokalisiert. Dies wiederum führt zu einem stark ausgeprägten Übergangsmatrixelement.

Die Stärke der quantenmechanischen Kopplung der Wellenfunktionen der miteinander in Wechselwirkung tretenden Leitungsband-Energie-Niveaus ist durch die Schichtdickenwahl sowie auch durch die Anzahl der sich in periodischer Wiederkehr angeordneten optisch aktiven Schichtbereiche vorzugsweise derart gewählt, dass sich, wie bereist erwähnt, das Leitungsband-Energie-Niveau in Minibänder aufspaltet, wobei jedoch das energetisch niedrigste Miniband eine energetische Breite von mindestens 30% der thermischen Energie k_BT besitzt (k_B entspricht der Bolzmann-Konstante und T entspricht der Betriebstemperatur in Grad Kelvin des Halbleiterlasers).

Aufgrund der Aufspaltung des Leitungsband-Energie-Niveaus in die vorstehend beschriebenen Minibänder, die nicht nur zwischen der ersten und zweiten Halbleiterschicht innerhalb eines einzigen optisch aktiven Schichtbereichs überlappen, sondern über die Barriere-Schichten hinaus jeweils zwischen zwei benachbart liegenden, optischen Schichtbereichen miteinander überlappen, so dass ein nahezu freier Elektronentransport über die Barriere-Schichten hinweg erfolgt, ist eine deutliche Reduzierung der Schwellstromdichte und Schwellspannung (Spannung an der Schwelle) zu beobachten, ab der für die Laseraktivität erforderliche Besetzungsinversion erzielbar ist.

Mit der erfindungsgemäßen Halbleiterlaserstruktur ist es somit möglich eine gleichmäßige Besetzungsinversion in allen, jeweils durch die Barriere-Schichten getrennt liegenden optisch aktiven Schichtbereichen zu erhalten, wodurch der Wirkungsgrad des Halbleiterlasers deutlich verbessert ist. Zudem bewirken die Barriere-Schichten eine Verbesserung der quantenmechanischen Kopplung zwischen dem energetisch niedrigsten Miniband und dem energetisch höchstgelegenen Valenzband-Niveau, wodurch zum einen der optische Gewinn verbessert sowie die Auswirkungen von störenden Auger-Rekombinationen in den Hintergrund treten. Die starke quantenmechanische Kopplung hat letztlich zur Folge, dass der Halbleiterlaser bei vergleichbar hohen Betriebstemperaturen, beispielsweise bei Zimmertemperatur, betrieben werden kann, so dass die Notwendigkeit von Kühlmaßnahmen entfällt.

Die erfindungsgemäße Halbleiterlaserstruktur ist vorzugsweise, wie bereits beschrieben, mittels elektrischer Anregung durch gezielte Bestromung betreibbar. Darüber hinaus erlaubt der Halbleiterlaser auch die Erzeugung einer Besetzungsinversion mittels rein optischer Anregung. Je nach gewünschter Betriebsweise sind entsprechende Dotierungen innerhalb der Halbleiterschichten vorzunehmen, auf die unter Bezugnahme auf das im Weiteren beschriebene Ausführungsbeispiel noch eingegangen wird.

Zwar bestehen keine grundsätzlichen Hindernisgründe, den erfindungsgemäßen Halbleiterlaser im Rahmen einer Typ-I-Übergitterschichtanordnung auszubilden, bei der die einzelnen Halbleiterschichten der optisch aktiven Schichtbereiche einen räumlichen Verlauf der Valenz- und Leitungsbandkanten aufweisen, bei dem die Bandkantenminima der Leitungsbandkante jeweils unmittelbar über den Bandkantenmaxima des Valenzbandes liegen, doch hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den erfindungsgemäßen Halbleiterlaser mit einer Typ II-Schichtanordnung auszuführen, d.h. im räumlichen Verlauf der Valenz- und Leitungsbandkanten der aneinander grenzenden Halbleiterschichten liegen die Minima der Leitungs- und Valenzbandkanten sowie entsprechend die Maxima der Leitungs- und Valenzbandkanten jeweils untereinander.

Je nach Halbleitermaterialwahl der innerhalb der optisch aktiven Schichtanordnung vorgesehenen Halbleiterschichten, kann gezielt ein räumlicher Verlauf der Valenz- und Leitungsbandkanten für die Leitungs- und Valenzbandkanten konfektioniert werden, bei dem die energetische Lage der Leitungsbandkante der ersten und zweiten Halbleiterschicht unter der obersten Valenzbandkantenenergie der dritten Halbleiterschicht liegt, wobei sich das Leitungsband und das Valenzband benachbarten Schichten energetisch partiell überlappen, oder umgekehrt, bei dem das unterste Leitungsbandkanten-Niveau oberhalb des obersten Valenzbandkanten-Niveaus liegt, wobei zwischen beiden Kantenenergien eine energetische Lücke klafft.

Der erste Fall, d.h. das Leitungsband und das Valenzband benachbarter Schichten weisen einen energetischen Überlapp auf, (siehe 2b) kann realisiert werden, indem die erste und zweite Halbleiterschicht jeweils aus InAs und die dritte Halbleiterschicht aus GaInSb besteht. Als Halbleitermaterial für die Barriereschicht eignet sich AlGaAsSb.

Im anderen Fall, d.h. ohne eine energetische Überlappung zwischen Leitungs- und Valenzband, (siehe 2a) eignet sich eine Halbleitermaterialkombination, bestehend aus GaInAs/GaAsSb mit GaAs oder InP als Barriere-Schicht-Material.

Alle vorstehend genannten Halbleitermaterial-Kombinationen, die für den Aufbau eines optisch aktiven Schichtbereiches in Frage kommen, der in periodischer Abfolge, jeweils getrennt durch eine Barriere-Schicht angeordnet ist, sind in Form eines Schichtstapels zwischen zwei Halbleitermantelschichten zum Zwecke einer optischen Wellenführung eingebracht. In vorteilhafter Weise weist die Halbleitermantelschicht jeweils einen Brechungsindex auf, der kleiner als jener der Halbleiterschichten innerhalb der optisch aktiven Schichtbereiche ist. Ferner ist es besonders vorteilhaft, zwischen der Halbleitermantelschicht und dem Schichtenstapel aus der Vielzahl periodisch sich wiederkehrender optisch aktiver Schichtbereiche, eine weitere Halbleiterschicht, eine sogenannte Wellenleiterschicht einzubringen, deren Brechungsindex kleiner als jener der in den optisch aktiven Schichtbereichen integrierten Halbleiterschichten ist, jedoch größer als der Brechungsindex der Halbleitermantelschicht ist. Auf diese Weise erhält man eine stufenformige Brechungsindexanpassung für eine optimierte optische Wellenführung innerhalb der Halbleiterlaserstruktur. Für derartige Schichten eignen sich insbesondere AlGaAsSb, das in geeigneter Weise, bspw. mit Al in verschiedene Konzentration legiert ist.

Ebenfalls kann es vorteilhaft sein, Löcher-Tunnelprozesse zwischen jeweils benachbart liegenden optisch aktiven Schichtbereichen zu ermöglichen. Dies ist durch eine gezielte Schichtdickenwahl der Barriere-Schicht möglich, sofern die Barierren-Schichtdicke genügend dünn gewählt wird.

Neben der vorstehend beschriebenen Lösungsvariante eines Halbleiterlasers mit einem räumlichen Verlauf der Valenz- und Leitungsbandkanten, die zur Ausbildung eines dreidimensionalen Elektronengas zwischen den einzelnen beschriebenen optisch aktiven Schichtbereichen führen, wobei die Löcher in den einzelnen Schichtbereichen 2-dimensional lokalisiert bleiben, ist es ebenso denkbar, den der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken des Vorsehens jeweils einer geeignet dünn gewählten Barriereschicht zwischen jeweils aufeinander folgenden optisch aktiven Schichtbereichen auf eine Halbleiterschichtstruktur zu übertragen, bei der sich die Löcher im Rahmen von sich ausbildenden Minibändern, jeweils innerhalb der beteiligten Valenzband-Energieniveaus, in Art eine Löchergases auszubreiten vermögen. In äquivalenter Weiterentwicklung dieses Gedankens bleiben in diesem Fall die Elektronen 2-dimensional lokalisiert. Auf diese Weiterentwicklung sind die Ansprüche 13 und 14 gerichtet.

Im Vergleich zu der bisherigen beschriebenen Lösungsvariante entspricht dieser Ansatz dem Fall, dass die Energieskala invertiert wird und die Rolle der Leitungs- bzw. Valenzbandkanten ausgetauscht sind.

Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 Räumlicher Verlauf der Valenz- und Leitungsbandkanten inklusive Energie-Niveaus eines erfindungsgemäß ausgebildeten Halbleiterlasers,
2 schematische Darstellung zur Veranschaulichung des räumlichen Verlaufs der Valenz- und Leitungsbandkanten mit und ohne Überlapp,
3 räumlicher Verlauf der Valenz- und Leitungsbandkanten eines Typ-II-Halbleiterlasers mit Übergitterstruktur ohne Barriere-Schicht (Stand der Technik nach Grein) sowie
4 räumlicher Verlauf der Valenz- und Leitungsbandkanten eines Quantenfilmlasers mit Barriere-Schichten gemäß US 5,793,787 .
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
Zur Herstellung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Halbleiterlasers lassen sich grundsätzlich eine Vielzahl bekannter Materialkombinationen einsetzen, wie sie aus Heteroschichtstrukturen bekannt sind. Im Falle des (GaAlIn)(AsSb)-Materialsystems eignet sich die in 1 dargestellte Schichtabfolge besonders zur Herstellung eines Halbleiterlasers zur Lichtemission für den mittleren und langen Infrarotwellenbereich, d.h. Wellenlängen > 2,5 μm.
Zwischen zwei Halbleitermantelschichten oder Wellenleiterschichten 6, bestehend jeweils aus AlGaAsSb sind in periodischer Abfolge jeweils z.B. n = 5 optisch aktive Schichtbereiche 4 angeordnet, bestehend jeweils aus einer ersten und zweiten Halbleiterschicht 1, 2, die jeweils voneinander durch eine dritte Halbleiterschicht 3 getrennt sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen die erste und zweite Halbleiterschicht aus InAs, wohingegen die dritte Halbleiterschicht aus GaInSb gefertigt ist. Die z.B. n = 5 vorgesehenen optisch aktiven Schichtbereiche 4 sind jeweils durch Barriere-Schichten 5 voneinander getrennt, die aus AlGaAsSb bestehen. Alle die in periodischer Wiederkehr zwischen den Halbleitermantelschichten 6 eingeschlossenen Halbleiterschichten 1, 2, 3, 5 weisen Schichtdicken von nur wenigen Monolagen auf, vorzugsweise 4 bis 10 Monolagen in dem hier vorgeschlagen (AlGaIn)(AsSb)-Materialsystem.
Je nach Betriebsweise der in 1 dargestellten Halbleiterlaserstruktur, d.h. je nach dem, ob die Besetzungsinversion innerhalb der einzelnen optisch aktiven Schichtbereichen 4 mittels elektrischem oder optischem Pumpen herbeigeführt wird, ist der Aluminiumgehalt in den Barriere-Schichten 5 geeignet vorzugeben. Soll der Halbleiterlaser optisch gepumpt werden, so ist ein höherer Aluminiumgehalt in den Barriere-Schichten 5 vorgesehen als im Falle elektrischer Pumpweise.
Über dem in 1 dargestellten räumlichen Verlauf der Valenz- und Leitungsbandkanten der erfindungsgemäß ausgebildeten Halbleiterlaserstruktur sind die Wellenfunktionen für Elektronen (Ψ_e) sowie für Löcher (Ψ_h) dargestellt. Deutlich zu erkennen ist die gegenseitige Überlappung der Wellenfunktionen der Elektronen über die AlGaAsSb-Barrierenschichten hinweg, wodurch sich ein quasidreidimensionales Elektronengas längs der gesamten optisch aktiven Schichtbereichsabfolge ausbildet. Demgegenüber verbleiben die Löcher in den jeweiligen Halbleiterschichten 3 lokalisiert.
Zur verbesserten optischen Wellenführung sind die Halbleiterschichten 1, 2, 3, 5 zwischen zwei Halbleitermantel- oder Wellenleiterschichten 6 gefasst, die typischerweise eine Dicke von 0.5 bis 2 μm, bzw. 0.5 bis 1 μm aufweisen. Die im gezeigten Ausführungsbeispiel aus AlGaAsSb gefertigten Halbleitermantelschichten können Bereiche unterschiedlicher Al-Konzentrationen aufweisen, was zu einer Brechungsindexvariation führt. Zudem ermöglicht eine Dotierung, bspw. in Form einer Te-Dotierung bei einem n-Typ Halbleiter oder eine Be-Dotierung bei einem p-Typ-Halbleiter, der Halbleitermantelschichten 6 eine gezielte Ladungsträgerinjektion in die jeweiligen optisch aktiven Schichtbereiche zum Zwecke einer Elektroneninjektion für den elektrischen Pumpvorgang.
Beispielsweise sei angenommen, dass in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 eine Ladungsträgereinspeisung von Seiten der linken Halbleitermantelschicht 6 in x-Richtung erfolgt. Aufgrund der nur über eine geringe Dicke vertilgenden Barriere-Schichten ist es möglich, dass der in x-Richtung stattfindende Elektronentransport die einer Besetzungsinversion in allen optisch aktiven Schichtbereichen 4 verbessert, also insbesondere auch in jenen Bereichen, die in der in 1 angegebenen x-Richtung rechts aussen liegen. Aufgrund des nahezu ungehinderten Elektronentransportes tragen somit alle optisch aktiven Schichtbereiche 4 zur Lasertätigkeit bei, wodurch der Wirkungsgrad des Lasers verbessert ist. Insbesondere ist es mit einer derartigen Schichtenabfolge möglich, die Anzahl n der sich wiederholenden, jeweils durch eine Barriere-Schicht getrennten optisch aktiven Schichtbereiche zu erhöhen.
Wird hingegen die Halbleiterlaserstruktur optisch gepumpt, so ist eine vorstehend genannte Dotierung der Halbleitermantelschicht 6 nicht erforderlich.
In den 2a und b sind schematisiert der Elektronenübergang zwischen einem Leitungsband-Energie-Niveau innerhalb der ersten und zweiten Halbleiterschicht (repräsentativ dargestellt durch die Schicht B) und einem Valenzband-Energie-Niveau innerhalb der dritten Halbleiterschicht (siehe Schicht A) dargestellt. Im Falle der 2b überlappen das Leitungsband und das Valenzband, im Falle der 2a sind Leitungsband und Valenzband jeweils durch eine Energielücke voneinander beabstandet. In beiden Fällen erfolgt der Elektronenübergang zwischen einem untersten Leitungsband-Energie-Niveau E_1e und einem obersten Valenzband-Energie-Niveau E_1h seitlich über zwei nebeneinander liegende Schichtberiche A, B. Der in 2b dargestellte Fall betrifft ein Materialsystem, bei dem die erste und zweite Halbleiterschicht aus InAs sowie die dritte Halbleiterschicht aus GaInSb gefertigt sind. Der Fall gemäß 2a ist realisierbar mit einer ersten und zweiten Halbleiterschicht aus GaInAs und einer dritten Halbleiterschicht aus GaAsSb.
Auf die Figurenbeschreibung der 3 und 4 werden auf die vorstehenden Ausführungen zum Stand der Technik verwiesen.

1: Erste Halbleiterschicht
2: Zweite Halbleiterschicht
3: Dritte Halbleiterschicht
4: Optisch aktiver Schichtbereich
5: Barriere-Schicht
6: Halbleitermantel- oder Wellenleiterschicht

Claims

Halbleiterlaser mit einer Anzahl n in periodischer Abfolge wiederkehrender als gekoppelte Quantenfilme ausgebildeter optisch aktiver Schichtbereiche, die jeweils wenigstens drei Halbleiterschichten aufweisen, von denen eine erste und zweite Halbleiterschicht miteinander wechselwirkende Leitungsband-Energie-Niveaus aufweisen, wobei die erste und zweite Halbleiterschicht durch wenigstens eine dritte, diskrete, quantisierte Löcher-Energiezustände aufweisende Halbleiterschicht räumlich voneinander getrennt sind, und mit einer Anzahl n – 1 Barriereschichten, von denen jeweils eine Barriereschicht zur räumlichen Trennung zweier benachbart angeordneter, optisch aktiver Schichtbereiche vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die den optisch aktiven Schichtbereich bildenden Halbleiterschichten sowie auch die Barriereschichten Schichtdicken in der Größenordnung von 3 bis 10 Monolagen (ML), bestehend jeweils aus einem Halbleitermaterial, aufweisen, so dass eine endlich große quantenmechanische Kopplung der Wellenfunktionen der wechselwirkenden Leitungsband-Energie-Niveaus der ersten und zweiten Halbleiterschichten zweier benachbart gelegener, durch jeweils eine Barriereschicht voneinander getrennter optisch aktiver Schichtbereiche vorliegt und sich gekoppelte Leitungsband-Energie-Niveaus in Form von Minibändern ausbilden, die sich über alle optisch aktiven Schichtbereiche über die Barriereschichten hinweg überlappen und in denen sich ein Elektronentransport in Art eines dreidimensionalen Elektronengases ausbildet, und dass die Löcher in den diskreten, quantisierten Energiezuständen innerhalb der jeweiligen dritten Halbleiterschichten lokalisiert bleiben.
Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl n der in periodischer Abfolge wiederkehrenden, optisch aktiven Schichtbereiche zwischen zwei Halbleiterwellenleiterschichten eingeschlossen ist, die jeweils einen ersten Brechungsindex aufweisen, und dass die Halbleiterwellenleiterschichten wiederum zwischen zwei Halbleitermantelschichten eingebettet sind, die einen zweiten Brechungsindex aufweisen, der kleiner als der erste Brechungsindex ist.
Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl n der optisch aktiven Schichtbereiche unmittelbar zwischen zwei Halbleitermantelschichten eingebettet ist.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Barriereschichten derart gewählt ist, dass Löcher-Tunnelprozesse zwischen den in den jeweiligen dritten Halbleiterschichten lokalisierten Löcherniveaus möglich sind.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die als Übergitter ausgebildeten optisch aktiven Schichtbereiche als Typ-II-Bandanordnung ausgebildet sind.
Halbleiterlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Halbleiterschicht jeweils eine unterste Leitungsbandkantenenergie und die dritte Halbleiterschicht eine oberste Valenzbandkantenenergie aufweist, und dass die unterste Leitungsbandkantenenergie der ersten und zweiten Halbleiterschicht jeweils kleiner als die oberste Valenzbandkantenenergie der dritten Halbleiterschicht ist.
Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Halbleiterschicht aus InAs, die dritte Halbleiterschicht aus GaInSb und die Barriereschicht aus AlGaAsSb bestehen.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Halbleiterschicht jeweils eine unterste Leitungsbandkantenenergie und die dritte Halbleiterschicht eine oberste Valenzbandkantenenergie aufweist, und dass die unterste Leitungsbandkantenenergie der ersten und zweiten Halbleiterschicht jeweils größer als die oberste Valenzbandkantenenergie der dritten Halbleiterschicht ist.
Halbleiterlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschichten aus GaInAs/GaAsSb gefertigt sind und das Substrat aus GaAs oder InP besteht.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterwellenleiterschicht und/oder die Hableitermantelschicht aus AlGaAsSb besteht.
Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die endlich große quantenmechanische Kopplung der Wellenfunktionen der miteinander wechselwirkenden Leitungsband-Energie-Niveaus der ersten und zweiten Halbleiterschichten benachbart gelegener optisch aktiver Schichtbereiche nach Maßgabe der Anzahl n der in periodischer Wiederkehr angeordneten, optisch aktiven Schichtbereichen derart gewählt ist, dass sich eine energetische Bandbreite des energetisch niedrigsten Minibandes des Leitungsbandes von mindestens 30% der thermischen Energie k_BT einstellt, mit k_B: Boltzmann-Konstante und T: Betriebstemperatur in Kelvin, und dass einerseits durch elektronisches und/oder optisches Anregen ein Elektronentransport längs der Minibänder zur Ausbildung einer Besetzungsinversion in allen optisch aktiven Schichtbereichen induzierbar ist und andererseits durch Vorsehen der Barriereschichten ein Überlapp der Wellenfunktionen der miteinander wechselwirkenden Leitungsband-Energie-Niveaus mit den Wellenfunktionen der diskret, quantisierten Löcher-Energiezuständen erzielbar ist.
Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Laserlicht mit einer Wellenlänge größer als 2,5 μm erzeugbar ist.
Halbleiterlaser mit einer Anzahl n in periodischer Abfolge wiederkehrender, als gekoppelte Quantenfilme ausgebildeter, optisch aktiver Schichtbereiche, die jeweils wenigstens drei Halbleiterschichten aufweisen, von denen eine erste und zweite Halbleiterschicht miteinander wechselwirkende Valenzband-Energie-Niveaus aufweisen, wobei die erste und zweite Halbleiterschicht durch wenigstens eine dritte, diskrete, quantisierte Elektronen-Energiezustände aufweisende Halbleiterschicht räumlich voneinander getrennt sind, und mit einer Anzahl n – 1 Barriereschichten, von denen jeweils eine Barriereschicht zur räumlichen Trennung zweier benachbart angeordneter, optisch aktiver Schichtbereiche vorgesehen ist, wobei die den optisch aktiven Schichtbereich bildenden Halbleiterschichten sowie auch die Barriereschichten Schichtdicken in der Größenordnung von 3 bis 10 Monolagen (ML), bestehend jeweils aus einem Halbleitermaterial, aufweisen, so dass eine endlich große quantenmechanische Kopplung der Wellenfunktionen der wechselwirkenden Valenzband-Energie-Niveaus der ersten und zweiten Halbleiterschichten zweier benachbart gelegener, durch jeweils eine Barriereschicht voneinander getrennter, optisch aktiver Schichtbereiche vorliegt und sich gekoppelte Valenzband-Energie-Niveaus in Form von Minibändern ausbilden, die sich über alle optisch aktiven Schichtbereiche über die Barriereschichten hinweg überlappen und in denen sich ein Löchertransport in Art eines dreidimensionalen Löchergases ausbildet, und dass die Elektronen in den diskreten, quantisierten Energiezuständen innerhalb der jeweiligen dritten Halbleiterschichten lokalisiert bleiben.
Halbleiterlaser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Barriereschichten derart gewählt ist, dass Elektronen-Tunnelprozesse zwischen den in den jeweiligen dritten Halbleiterschichten lokalisierten Elektronenniveaus möglich sind.