DE112005001569B4

DE112005001569B4 - Verfahren zum Erhöhen einer maximalen Modulationsgeschwindigkeit einer Licht emittierenden Vorrichtung und Quantenmuldenstruktur für eine solche Lichtemittierende Vorrichtung

Info

Publication number: DE112005001569B4
Application number: DE112005001569T
Authority: DE
Inventors: Ashish Sunnyvale Tandon; Michael R. T. Menlo Park Tan; Ying-Lan Cupertino Chang
Original assignee: Avago Technologies Fiber IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: JP2008506257A; DE112005001569T5; WO2006014308A1; TWI368369B; US7269196B2; US20060007974A1; TW200625741A; CN1981413A; JP5202944B2

Abstract

Eine Quantenmuldenstruktur für eine Licht emittierende Vorrichtung (100), die Quantenmuldenstruktur aufweisend:
Barriereschichten (610 und 650) aus Al_xGa_1-xAs mit einem Aluminiumbruchteil x; eine Quantenmuldenschicht (630) aus InGaAs zwischen den Barrierenschichten (610 und 650); und
eine Grenzflächenschicht (620 und 640) aus Al_yGa_1-yAs mit einem geringeren Aluminiumbruchteil y als der Aluminiumbruchteil x des Al_xGa_1-xAs der Barriereschichten (610 und 650) zwischen der Quantenmuldenschicht (630) und jeder der Barrierenschichten (610 und 650),
wobei die Grenzflächenschicht (620 und 640) eine Dicke in dem Bereich von 0,1 nm bis 2 nm aufweist.

Description

Hintergrund
Licht emittierende Vorrichtungen, wie beispielsweise oberflächenemittierende Vertikalresonatorlaser (VCSELs = Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) sind auf dem Gebiet bekannt. Die aktive Region eines VCSEL weist eine Quantenmuldenstruktur auf, die aus einer oder mehreren Quantenmuldenschichten gebildet ist, die mit einer entsprechenden Anzahl von Barriereschichten verschachtelt sind. Jede Quantenmuldenschicht bildet eine Quantenmulde mit den benachbarten Barriereschichten. Die Quantenmulde fängt und grenzt Träger (Elektronen und Löcher) ein, die sich nachfolgend strahlungsmäßig wieder verbinden, um Licht zu erzeugen.
Die aktive Region eines herkömmlichen VCSEL, der Licht mit einer Wellenlänge von 850 Nanometern (nm) erzeugt, weist eine Quantenmuldenstruktur auf, die aus Quantenmuldenschichten aus Galliumarsenid (GaAs) und Barriereschichten aus Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) gebildet ist. Eine Verwendung von Indiumgalliumarsenid (InGaAs) anstelle von GaAs als das Material der Quantenmuldenschichten ist jedoch vorteilhaft, weil eine Belastung die differenzielle Verstärkung erhöht und den Transparenzstrom reduziert, die beide für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb, eine Zuverlässigkeit und eine Treiberschaltungsanordnung günstig sind. Die Quantenmuldenstruktur eines typischen herkömmlichen VCSEL, der Licht mit einer Wellenlänge von 980 nm erzeugt, weist Quantenmuldenschichten aus Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und Barriereschichten aus Galliumarsenid (GaAs) oder Quantenmuldenschichten aus Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und Barriereschichten aus Galliumarsenidphosphid (GaAsP) auf.
Ein herkömmlicher VCSEL mit 980 nm weist jedoch eine geringere maximale Modulationsgeschwindigkeit und eine geringere Temperaturleistungsfähigkeit verglichen mit einem herkömmlichen VCSEL mit 850 nm auf.
Aus der Druckschrift JP 08-056045 A ist eine Quantenmuldenstruktur mit einer Quantenmuldenschicht aus In_0.2Ga_0.8As, Barriereschichten aus Al_0.3Ga_0.7As und einer Grenzflächeschicht aus Al_0.18Ga_0.72In_0.1As bekannt.
Aus der Druckschrift US 5,461,637 A ist eine Quantenmulden-Waferstruktur für einen Halbleiterlaser bekannt, die eine Träger-Diffusionsbarriere aus Al_0,2Ga_0,8As aufweist. Ein aktiver Bereich der Quantenmulden-Waferstruktur ist über die Träger-Diffusionsbarriere ausgebildet. Der aktive Bereich weist eine Mehrzahl von Quantenmulden aus In_0,2Ga_0,8As auf, die von Barrieren-Schichten aus GaAs umgeben sind. Quantenmulden/Barrierenbereiche sind durch Bereiche aus Al_0,04Ga_0,96As getrennt, welche Pumpstrahlung absorbieren.
Was folglich benötigt wird, ist ein Weg, die maximale Modulationsgeschwindigkeit zu erhöhen und die Temperaturleistungsfähigkeit von VCSELs mit 980 nm und anderen Licht emittierenden Vorrichtungen, die Licht mit dieser Wellenlänge erzeugen, zu verbessern.
Zusammenfassung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen Licht emittierende Vorrichtungen mit erhöhten maximalen Modulationsgeschwindigkeiten. Ein Beispiel betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Modulationsgeschwindigkeit einer Licht emittierenden Vorrichtung. Das Verfahren weist ein Bilden von Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten, ein Bilden einer Quantenmuldenschicht aus Indiumgalliumarsenid (InGaAs) zwischen den Barriereschichten und ein Bilden von Grenzflächenschichten zwischen der Quantenmuldenschicht und den Barriereschichten auf. Ferner weist das Verfahren Bilden einer Grenzflächenschicht zwischen der Quantenmuldenschicht und jeder der Barrierenschichten auf, wobei die Grenzflächenschicht aus Al_yGa_1-yAs mit einem geringeren Aluminiumbruchteil y als der Aluminiumbruchteil x des Al_xGa_1-xAs der Barriereschichten gebildet wird und eine Dicke in dem Bereich von 0,1 nm bis 2 nm aufweist. Die Grenzflächenschichten erhöhen eine Trägereingrenzung in der Quantenmuldenschicht der Quantenmulde und somit die maximale Modulationsgeschwindigkeit der Licht emittierenden Vorrichtung.
Ein anderes Ausführungsbeispiel sieht einen oberflächen-emittiereden Vertikalresonatorlaser (VCSEL) vor. Der VCSEL weist eine Quantenmuldenstruktur auf, die InGaAs-Quantenmuldenschichten aufweist, die mit Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten verschachtelt sind. Der VCSEL weist ferner eine Grenzflächenschicht aus Al_yGa_1-yAs mit einem geringeren Aluminiumbruchteil y als der Aluminiumbruchteil x des Al_xGa_1-xAs der Barriereschichten zwischen der Quantenmuldenschicht und jeder der Barrierenschichten auf, wobei die Grenzflächenschicht eine Dicke in dem Bereich von 0,1 nm bis 2 nm aufweist. Durch die Grenzflächenschichten wird eine Trägereingrenzung in der Quantenmuldenstruktur erhöht, was die maximale Modulationsgeschwindigkeit des VCSELs erhöht.
Ein anderes Ausführungsbeispiel sieht eine Quantenmuldenstruktur für eine Licht emittierende Vorrichtung vor. Die Quantenmuldestruktur weist Barrierenschichten, InGaAs-Quantenmuldenschichten aufweist, die mit Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten verschachtelt sind, und zwischen jeder Quantenmuldenschicht und jeder benachbarten Barrierenschicht eine Grenzflächenschicht aus Al_yGa_1-yAs auf, das die Wirkung einer unvollkommenden Schnittstellenbildung zwischen der Quantenmuldenschicht und der benachbarten Barrierenschicht mäßigt. Die Grenzflächeschichten reduzieren in günstiger Weise eine Verbreiterung des Verstärkungsspektrums und nichtstrahlende Rekombinationszentren in der Quantenmulde, die andernfalls durch die unvollkommende Schnittstellenbildung zwischen der Quantenmuldenschicht und den benachbarten Barriereschichten bewirkt würden. Die Grenzflächenschicht ist aus Al_yGa_1-yAs mit einem geringeren Aluminiumbruchteil y als der Aluminiumbruchteil x des Al_xGa_1-xAs der Barriereschichten zwischen der Quantenmuldenschicht und jeder der Barrierenschichten, wobei die Grenzflächenschicht eine Dicke in dem Bereich von 0,1 nm bis 2 nm aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Halbleiterlasers, der als Beispiel einer Licht emittierenden Vorrichtung dient, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfasst.
1B ist eine Querschnittsansicht der Quantenmuldenstruktur einer herkömmlichen Licht emittierenden Vorrichtung.
1C ist ein Energiediagramm, das das Bandenergieprofil der in 1B gezeigten Quantenmuldenstruktur zeigt.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Erhöhen einer Trägereingrenzung bei einem oberflächenemittierenden Vertikalresonatorlaser (VCSEL) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
3A ist ein Diagramm, das eine Quantenmuldenstruktur mit AlGaAs-Barriereschichten darstellt. Die Quantenmuldenstruktur liefert eine erhöhte Trägereingrenzung.
3B ist ein Energiediagramm, das das Bandenergieprofil der in 3A gezeigten Quantenmuldenstruktur darstellt.
4 ist ein Energiediagramm, das das Bandenergieprofil des Leitungsbands einer Quantenmuldenstruktur mit mehreren Quantenmulden darstellt. Die Quantenmuldenstruktur zeigt eine erhöhte Trägereingrenzung.
5A ist ein Energiediagramm einer exemplarischen aktiven Region, die eine InGaAs/GaAs-Mehrquantenmuldenstruktur aufweist, wobei eine Kurve, die die Wellenfunktion von Elektronen darstellt, die in der Quantenmuldenstruktur eingegrenzt sind, demselben überlagert ist.
5B ist ein Energiediagramm einer exemplarischen aktiven Region, die eine InGaAs/AlGaAs-Mehrquantenmuldenstruktur aufweist, wobei eine Kurve, die die Wellenfunktion von Elektronen darstellt, die in der Quantenmuldenstruktur eingegrenzt sind, demselben überlagert ist.
6A ist ein Diagramm einer Quantenmuldenstruktur mit Grenzflächenschichten zwischen der Quantenmuldenschicht und den benachbarten Barriereschichten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Quantenmuldenstruktur zeigt eine erhöhte Trägereingrenzung.
6B ist ein Energiediagramm, das das Bandenergieprofil der in 6A gezeigten Quantenmuldenstruktur darstellt.
Detaillierte Beschreibung
Eine Trägereingrenzung ist ein Faktor, der die materielle Verstärkung der Quantenmuldenstruktur des VCSEL mit 980 nm bestimmt. Eine erhöhte Trägereingrenzung liefert eine materielle Verstärkung, die die differenzielle Verstärkung der Quantenmuldenstruktur erhöht. Eine differenzielle Verstärkung ist als die Differenz der materiellen Verstärkung mit Bezug auf die injizierte Trägerdichte definiert. Zudem ist die Relaxationsfrequenz eines VCSEL direkt proportional zu der differenziellen Verstärkung und daher zu einer Trägeraufnahme in der Quantenmuldenstruktur des VCSEL. Die Relaxationsfrequenz kennzeichnet die natürliche Oszillation von Elektronen und Photonen, wenn der VCSEL Licht erzeugt, und definiert die maximale Modulationsgeschwindigkeit des VCSEL. Deshalb liefert ein Erhöhen einer Trägereingrenzung einen Weg, eine differenzielle Verstärkung zu erhöhen, eine Relaxationsfrequenz zu erhöhen und deshalb die maximale Modulationsgeschwindigkeit des Lasers oder VCSEL zu erhöhen. Ein Erhöhen der Trägereingrenzung verbessert ferner die Temperaturleistungsfähigkeit des VCSEL oder einer anderen Licht emittierenden Vorrichtung.
Im Stand der Technik wurde daran gearbeitet, das Problem eines Optimierens der Leistungsfähigkeit von belasteten Quantenmuldenstrukturen anzusprechen. Insbesondere erörtern in „Theoretical Gain in Strained-layer Quantum Wells” 1850 PROC. SPIE 177–188 (die „Corzine-Referenz”), Corzine et al. theoretisch verschiedene physikalische Wirkungen, die die Verstärkung von belasteten Quantenmulden maximieren. Die Corzine-Referenz erörtert die theoretische Verbesserung der differenziellen Verstärkung durch eine erhöhte Trägerdichte in der aktiven Region.
Wenn sich jedoch Licht emittierende Vorrichtungen, wie beispielsweise VCSELs, zu höheren Modulationsgeschwindigkeiten bewegen, unterliegen die Charakteristika der Quantenmuldenstruktur einer verstärkten Untersuchung. An sich werden Parameter, die vorhergehend nicht von Interesse waren, zunehmend bedeutsam. Mängel bei vorhergehenden Techniken werden offensichtlich, wenn sich Modulationsgeschwindigkeiten der VCSELs erhöhen. Ferner fordert eine sich erhöhende Wellenlänge des VCSEL eine genauere Betrachtung dieser Mängel. Beispielsweise werden Faktoren wie Trägereingrenzung, Trägereinfangrate und Trägerentweichrate zunehmend wichtig. Viel von der bekannten Arbeit, wie beispielsweise die Corzine-Referenz, spricht diese Punkte nicht an.
Insbesondere hängt eine Trägereingrenzung von dem Verhältnis einer Einfangrate zu einer Entweichrate von Trägern in der Quantenmuldenstruktur ab. Herkömmliche VCSELs mit 980 nm weisen eine Quantenmuldenstruktur auf, die aus InGaAs-Quantenmuldenschichten und GaAs-Barriereschichten gebildet ist, bei denen der Indiumbruchteil in dem InGaAs der Quantenmuldenschichten weniger als 20 Prozent beträgt. Eine derartige Quantenmuldenstruktur liefert eine Trägereingrenzung, die nicht ausreicht, um zu ermöglichen, dass der VCSEL eine erwünschte maximale Modulationsgeschwindigkeit erreicht.
Terminologie und Übersicht
1A ist ein schematisches Diagramm, das eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Ausführungsbeispiels einer Licht emittierenden Vorrichtung 100 gemäß der Erfindung darstellt. Bei dem gezeigten Beispiel ist die Licht emittierende Vorrichtung 100 ein oberflächenemittierender Vertikalresonatorlaser (VCSEL).
Die Licht emittierende Vorrichtung 100 weist einen ersten Reflektor 110 und einen zweiten Reflektor 130 auf, wobei eine aktive Region 120 zwischen den Reflektoren positioniert ist. Typischerweise sind der erste Reflektor 110 und der zweite Reflektor 130 verteilte Bragg-Reflektoren (DBRs = Distributed Bragg Reflectors).
Der erste Reflektor 110 und der zweite Reflektor 130 definieren kollektiv einen optischen Hohlraum, in dem die aktive Region 120 positioniert ist. Die aktive Region 120 ist aus einer Quantenmuldenstruktur 125 gebildet, die zwischen einer n-Typ-Abstandhalterschicht 123 und einer p-Typ-Abstandhalterschicht 127 angeordnet ist. Typischerweise definiert bei einem VCSEL gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Quantenmuldenstruktur 125 zwischen einer und fünf Quantenmulden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Quantenmuldenstruktur begrenzt, die diese Anzahl von Quantenmulden definiert.
Die n-Typ-Abstandhalterschicht 123 und die p-Typ-Abstandhalterschicht 127 injizieren Elektronen beziehungsweise Löcher (kollektiv als „Träger” bezeichnet) in die Quantenmuldenstruktur 125. Ein Loch ist eine Bindung, der ein Elektron fehlt. Löcher sind zu einem Bewegen in einem Halbleitermaterial in der Lage, aber sind typischerweise weniger mobil als Elektronen. Die Träger werden durch die Quantenmulden eingefangen und werden in denselben eingegrenzt, die durch die Quantenmuldenstruktur 125 definiert sind. Die Elektronen und Löcher, die in den Quantenmulden der Quantenmuldenstruktur 125 eingegrenzt sind, verbinden sich wieder, um Licht zu erzeugen (z. B. mit einer Wellenlänge von 980 nm).
Der VCSEL 100 ist ein Beispiel einer Licht emittierenden Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die Erfindung ist jedoch nicht auf VCSELs begrenzt. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind auf andere Typen Licht emittierender Vorrichtungen anwendbar, wie beispielsweise kantenemittierende Laser und optische Verstärker, wie beispielsweise das optische Verstärkungsmedium eines elektrisch gepumpten Externresonatorlasers, aber nicht darauf begrenzt.
Wie oben angemerkt, umfasst die aktive Region einer Licht emittierenden Vorrichtung, wie beispielsweise eines VCSEL mit 980 nm, eine Quantenmuldenstruktur, die eine oder mehrere Quantenmulden definiert. 1B ist eine Querschnittsansicht der aktiven Region einer herkömmlichen Licht emittierenden Vorrichtung (nicht gezeigt). Die aktive Region ist aus einer Quantenmuldenstruktur 10 zwischen einer n-Typ-Abstandhalterschicht 5 und einer p-Typ-Abstandhalterschicht 20 gebildet. Bei dem in 1B gezeigten Beispiel ist die Quantenmuldenstruktur 10 aus einer Quantenmuldenschicht aus einem Halbleitermaterial mit einer geringen Bandlückenenergie (ein Material mit geringer Bandlücke) gebildet, die mit Barriereschichten aus einem Halbleitermaterial mit einer Bandlückenenergie verschachtelt ist, die größer als diese des Materials mit geringer Bandlücke ist (ein Material mit großer Bandlücke). Die Quantenmuldenstruktur 10 definiert eine einzige Quantenmulde und ist aus einer Quantenmuldenschicht 16 gebildet, die zwischen Barriereschichten 14 und 18 angeordnet ist.
Bei anderen Ausführungsbeispielen einer herkömmlichen Licht emittierenden Vorrichtung ist die Quantenmuldenstruktur 10 aus N Quantenmuldenschichten gebildet, die mit N + 1 Barriereschichten verschachtelt sind. Die Quantenmuldenstruktur definiert typischerweise zwischen einer Quantenmulde (N = 1) und fünf Quantenmulden (N = 5), obwohl Quantenmuldenstrukturen, die mehr als fünf Quantenmulden definieren, bekannt sind.
Bei einem VCSEL mit 980 nm ist das Material mit geringer Bandlücke der Quantenmuldenschicht 16 Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und ist das Material mit großer Bandlücke der Barriereschichten 14 und 18 Galliumarsenid (GaAs).
1C ist ein Energiediagramm, das das Bandenergieprofil der in 1B gezeigten Quantenmuldenstruktur 10 zeigt. Das Bandenergieprofil zeigt die Variation einer Bandenergie zwischen der Quantenmuldenschicht 16, der Barriereschicht 14 und der Barriereschicht 18 in dem Valenzband und in dem Leitungsband. 1C zeigt die Differenz bei einer Bandlückenenergie (d. h. die Differenz zwischen der Leitungsbandenergie und der Valenzbandenergie) zwischen dem Material mit geringer Bandlücke der Quantenmuldenschicht 16 und dem Material mit großer Bandlücke der Barriereschichten 14 und 18. Die Differenz bei einer Bandlückenenergie zwischen der Quantenmuldenschicht 16 und den Barriereschichten 14 und 18 definiert eine Quantenmulde 12. Bei dem gezeigten Beispiel verändert sich die Bandlückenenergie abrupt bei den Grenzflächen zwischen der Quantenmuldenschicht 16 und den Barriereschichten 14 und 18.
Während eines Betriebs einer Licht emittierenden Vorrichtung, die die Quantenmuldenstruktur 10 umfasst, injizieren die n-Typ-Abstandhalterschicht 5 und die p-Typ-Abstandhalterschicht 20 Elektronen beziehungsweise Löcher als Träger in die Quantenmuldenstruktur 10. Ein Bruchteil der Träger, die in die Quantenmuldenstruktur 10 injiziert werden, wird durch die Quantenmuldenschicht 16 eingefangen und in derselben eingegrenzt. Die Elektronen und Löcher, die in der Quantenmuldenschicht 16 eingegrenzt sind, verbinden sich wieder, um Licht zu erzeugen. Ein Teil des Lichts, das durch diese Rekombination erzeugt wird, wird durch die Licht emittierende Vorrichtung emittiert.
Ein Ansatz, der durch die Erfinder zum Erhöhen der Eingrenzung von Trägern in den InGaAs/GaAs-Quantenmulden der aktiven Region eines VCSEL (z. B. eines VCSEL mit 980 nm) betrachtet wird, besteht in einem Erhöhen der Dicke der In-GaAs-Quantenmuldenschicht. Die Trägereinfangrate der Quan tenmuldenschicht erhöht sich, wenn die Dicke der Quantenmuldenschicht erhöht ist. Ein Erhöhen der Dicke der Quantenmuldenschicht reduziert jedoch in nachteiliger Weise die Energiebeabstandung zwischen unterschiedlichen Subbandenergiepegeln. Dies führt zu einer erhöhten Trägerverteilung bei höheren Zuständen über dem Grundzustand in der Quantenmulde. Eine derartige Trägerverteilung resultiert in einer geringeren differenziellen Verstärkung, da bei einer Transparenz die Quasi-Fermi-Pegel von den Bandrändern wegbewegt sind. Zusätzlich sind die Dicke und der Indiumbruchteil der Quantenmuldenschicht durch die erwünschte Emissionswellelänge (z. B. 980 nm) festgelegt. Während die Dicke und der Indiumbruchteil der Quantenmuldenschicht bis zu einem geringen Ausmaß variiert werden können, können dieselben nicht über einen breiteren Bereich frei variiert werden.
Ein anderer Weg, die durch die Erfinder betrachtet wird, um die Eingrenzung von Trägern in InGaAs/GaAs-Quantenmulden der aktiven Region eines VCSEL mit 980 nm zu erhöhen, besteht darin, den Bruchteil von Indium in der InGaAs-Quantenmuldenschicht zu erhöhen. Das Erhöhen des Indiumbruchteils jedoch erhöht eine Belastung bei der Quantenmuldenstruktur und verschiebt ferner die Emissionswellenlänge. Um der Wellenlängenverschiebung entgegenzuwirken, die andernfalls als das Ergebnis des Erhöhens des Indiumbruchteils bei der InGaAs-Quantenmuldenschicht auftreten würde, kann die Dicke der Quantenmulden verringert werden, wenn der Indiumbruchteil erhöht wird. Jedoch reduziert eine übermäßige Belastung eine Zuverlässigkeit des VCSEL und das Reduzieren der Dicke der Quantenmuldenschicht führt zu einer reduzierten Trägereingrenzung.
Wie es unten detailliert beschrieben wird, sehen Ausführungsbeispiele der Erfindung ein Verfahren zum Erhöhen der maximalen Modulationsgeschwindigkeit einer Licht emittierenden Vorrichtung vor, ohne eine erhöhte Belastung einzubringen und ohne die Dicke der Quantenmuldenschichten zwangsläufig zu reduzieren. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine höhere maximale Modulationsgeschwindigkeit durch ein Erhöhen der Trägereingrenzung in der Quantenmuldenstruktur durch ein Verwenden von AlGaAs als dem Material der Barriereschichten erreicht. AlGaAs-Barriereschichten liefern eine erhöhte Trägereingrenzung durch ein Reduzieren der Rate, mit der Träger aus der Quantenmulde entweichen. Die größere Bandlückenenergie von AlGaAs verglichen mit GaAs, dem herkömmlichen Barriereschichtmaterial, reduziert die Trägerentweichrate. Zudem weist AlGaAs mit einem relativ geringen Bruchteil an Aluminium eine Gitterkonstante ähnlich dieser von GaAs auf, so dass ein Verwenden von AlGaAs als das Barriereschichtmaterial die Belastung bei der Quantenmuldenstruktur erheblich verändert.
Ein anderer Mechanismus, durch den die InGaAs/AlGaAs-Quantenmuldenstruktur eine erhöhte Trägereingrenzung relativ zu einer herkömmlichen InGaAs/GaAs-Quantenmuldenstruktur liefert, besteht darin, dass die InGaAs/AlGaAs-Quantenmuldenstruktur abruptere Grenzflächen zwischen der InGaAs-Quantenmuldenschicht und den AlGaAs-Barriereschichten aufweist. Ein Beitrag zu der abrupten Grenzfläche ist das InGaAs der Quantenmuldenschicht und das AlGaAs der Barriereschichten, die das gleiche Gruppe-V-Teilgitter aufweisen. Dies neigt dazu, eine Zwischendiffusion zwischen der Quantenmuldenschicht und den benachbarten Barriereschichten zu reduzieren. Ferner ist die Al-As-Bindung viel stärker als die GaAs-Bindung, so dass eine InGaAs/AlGaAs-Quantenmuldenstruktur dazu neigt, weniger Zwischendiffusion und daher abruptere Grenzflächen aufzuweisen als eine herkömmliche InGaAs/GaAs-Quantenmuldenstruktur. Zusätzlich reduziert ein Hinzufügen von Al zu GaAs in den Barriereschichten eine Zwischendiffusion und liefert daher abruptere Grenzflächen. Die abrupteren Grenzflächen reduzieren Mittellückenzustände, die eine nichtstrahlende Rekombination bewirken.
Ein anderer Mechanismus, durch den die InGaAs/AlGaAs-Quantenmuldenstruktur eine Trägereingrenzung erhöht, besteht darin, dass die InGaAs/AlGaAs-Quantenmuldenstruktur einen größeren Versatzfaktor Q_c als eine herkömmliche Quantenmuldenstruktur aufweist. Bei der InGaAs/AlGaAs-Quantenmuldenstruktur trägt der Leitungsbandversatz mehr (65%) als der Valenzbandversatz (35%) zu dem Bandversatz zwischen der InGaAs-Quantenmuldenschicht und den AlGaAs-Barriereschichten bei. Diese Bandanordnung ist für eine gute Eingrenzung von Elektronen in dem Leitungsband und eine gute Verteilung von Löchern unter den Quantenmulden bei einer Mehrquantenmuldenstruktur günstig. Die gute Lochverteilung trägt zusätzlich zu einer besseren Eingrenzung von Elektronen in dem Leitungsband auf Grund von elektronstatischen Langstreckenwechselwirkungskräften zwischen Elektronen und Löchern bei. Die erhöhte Bandlückenenergie der Barrieren verbessert nicht nur eine Trägereingrenzung in den Quantenmulden, dieselbe führt auch zu einer reduzierten Trägerpopulation in den höheren Energiezuständen. Somit ist die Trägerkonzentration in den Grundzuständen erhöht, was bei einer Transparenz die Quasi-Fermi-Pegel nahe an den Bandrändern hält.
Verfahren zum Verbessern einer Trägereingrenzung
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 200 zum Erhöhen der Modulationsgeschwindigkeit einer Licht emittierenden Vorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung darstellt. Die erhöhte Modulationsgeschwindigkeit rührt primär von einer erhöhten Trägereingrenzung in den Quantenmulden der Licht emittierenden Vorrichtung her. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die erhöhte Trägereingrenzung durch ein Erhöhen der wirksamen Bandlückenenergie der Barriereschichten erreicht, um eine tiefere Quantenmulde zu bilden.
Bei einem Block 210 werden Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten gebildet. Bei einem Block 220 wird eine Quantenmuldenschicht aus Indiumgalliumarsenid (InGaAs) zwischen den Barriereschichten gebildet. Bei einem Ausführungsbeispiel bilden die Barriereschichten und die Quantenmuldenschicht einen Teil der aktiven Region eines VCSEL.
Ein Unterziehen der Quantenmuldenschicht einer Kompressionsbelastung verbessert derartige Leistungsfähigkeitscharakteristika wie differenzielle Verstärkung und maximale Modulationsgeschwindigkeit. Die Kompressionsbelastung, der die Quantenmuldenschicht unterliegt, wird durch ein Erhöhen des Indiumbruchteils in dem InGaAs-Material der Quantenmuldenschicht erhöht. Eine erhöhte Belastung in der Quantenmuldenschicht erhöht theoretisch eine differenzielle Verstärkung der Quantenmulde und des VCSEL. Eine erhöhte differenzielle Verstärkung trägt günstig zu einer erhöhten maximalen Modulationsgeschwindigkeit bei. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt der Indiumbruchteil näherungsweise 20 Prozent, d. h. das Material der Quantenmuldenschicht ist In_0,2Ga_0,8As. Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen Quantenmuldenschichten aus einem Material auf, das Indiumbruchteile von mehr als 20 Prozent aufweist, d. h. das Material der Quantenmuldenschicht ist In_xGa_1-xAs, wobei x > 0,2.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel erhöht eine Trägereingrenzung bei der InGaAs-Quantenmuldenschicht, um die Modulationsgeschwindigkeit des VCSEL zu erhöhen, wie es oben beschrieben ist. Dies wird durch ein Reduzieren der Entweichrate von Trägern, die in der Quantenmuldenschicht eingefangen sind, durch ein Verwenden von Al_xGa_1-xAs als das Material der Barriereschichten der Quantenmuldenstruktur erreicht. Genauer gesagt reduzieren Barriereschichten aus Al_xGa_1-xAs, das eine größere Bandlückenenergie als GaAs aufweist, die Entweichrate von Elektronen, die in dem Leitungsband der Quantenmuldenschicht eingefangen sind.
Eine Reduzierung bei der Entweichrate von Trägern, die in der InGaAs-Quantenmuldenschicht eingefangen sind, erhöht den Trägereingrenzungsfaktor der Quantenmuldenstruktur bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Der Trägereingren zungsfaktor skaliert die Trägerdichteparameter der Quantenmuldenschicht, um die tatsächliche Stromdichte in der Quantenmuldenschicht wiederzuspiegeln. Folglich trägt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Trägereingrenzungsfaktor in korrekter Weise zu der Berechnung der differenziellen Verstärkung der Quantenmuldenschicht und einer Wahrscheinlichkeit von entweichenden eingefangenen Trägern bei und gibt an, dass Träger, die in der Quantenmulde eingefangen sind, länger brauchen, um zu entweichen.
Ein Reduzieren der Trägerentweichrate γ_entweich erhöht den Trägereingrenzungsfaktor gemäß der Erfindung. Die Trägerentweichrate wird durch ein Erhöhen der Energiedifferenz zwischen dem Leitungsband der Quantenmuldenschicht und diesem der benachbarten Barriereschichten reduziert, um eingefangene Elektronen in dem Leitungsband der Quantenmuldenschicht besser einzugrenzen. Das heißt, Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung erhöhen diese Energiedifferenz durch ein Verwenden eines Materials mit einer erhöhten Bandlückenenergie als das Material der Barriereschichten, die die Quantenmuldenschicht zwischen denselben anordnen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Material der Barriereschichten Al_xGa_1-xAs, das eine größere Leitungsbandenergie als GaAs aufweist, das herkömmliche Barriereschichtmaterial. Genauer gesagt erhöht das vorliegende Ausführungsbeispiel die Energiedifferenz zwischen der Leitungsbandenergie der Quantenmuldenschicht und dieser der benachbarten Barriereschichten von näherungsweise 80 meV, die mit herkömmlichen GaAs-Barriereschichten erhalten werden, auf über 100 meV, die mit den Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten des vorliegenden Ausführungsbeispiels erhalten werden.
2 zeigt ferner ein zusätzliches Element des Verfahrens 200. Bei 230 wird eine Grenzflächenschicht zwischen der InGaAs-Quantenmuldenschicht und jeder der Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten gebildet. Die Vorteile, die durch die Grenzflächenschicht geliefert werden, werden unten beschrieben.
Bei einer Licht emittierenden Vorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung liefern die Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten eine erhöhte Elektronenträgereingrenzung in der Quantenmuldenschicht und folglich eine Reduzierung der Trägerentweichrate γ_entweich. Als ein zusätzlicher Vorteil erhöht die gesteigerte Barrierenhöhe der Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten verglichen mit herkömmlichen GaAs-Barriereschichten ferner die Trägereinfangrate γ_einfang. Somit erhöhen die Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten bei Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung den Trägereingrenzungsfaktor durch ein Erhöhen der Trägereinfangrate und ein Reduzieren der Trägerentweichrate.
Als ein zusätzlicher Vorteil erhöhen ferner die Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten des vorliegenden Ausführungsbeispiels die differenzielle Verstärkung des VCSEL. Diese Erhöhung der differenziellen Verstärkung ist eine Folge der Erhöhung der Trägereingrenzung. Wie es oben beschrieben ist, liefert die oben beschriebene Erhöhung des Trägereingrenzungsfaktors die Erhöhung der Trägereingrenzung.
Zusätzlich ermöglicht die erhöhte Bandlückenenergie des Al_xGa_1-xAs-Materials der Barriereschichten, dass die Dicke sowohl der InGaAs-Quantenmuldenschicht als auch der Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten proportional reduziert werden kann, ohne die differenzielle Verstärkung zu beeinflussen. Eine Verringerung der Dicke der Quantenmuldenschicht reduziert die Trägereingrenzung, aber diese Reduzierung wird durch die oben beschriebenen Erhöhung der Trägereingrenzung ausgeglichen, die aus der größeren Bandlückenenergie von Al_xGa_1-xAs als dem Material der Barriereschichten resultiert.
Trägereingrenzung ist ein Faktor, der die materielle Verstärkung der InGaAs-Quantenmuldenschicht der Quantenmuldenstruktur des VCSEL bestimmt. Eine erhöhte Trägereingrenzung bei der Quantenmulde führt zu materiellen Verstärkungseigenschaften, die eine Gesamterhöhung der differenziellen Verstärkung der Quantenmuldenstruktur liefern. Mit anderen Worten erhöht die erhöhte Trägereingrenzung die Rate, mit der sich eine materielle Verstärkung mit einer Stromdichte verändert. Trägerdichte ist als das Produkt einer Stromdichte in der Quantenmuldenstruktur und des Trägereingrenzungsfaktors definiert, wie es in Gleichung 2 gezeigt ist. Trägerdichte = (Stromdichte) × (Trägereingrenzungsfaktor) (2)
Die Steigung der materiellen Verstärkung über einer Stromdichtecharakteristik bestimmt die differenzielle Verstärkung. Die Relaxationsfrequenz der Quantenmulde wiederum ist direkt proportional zu der differenziellen Verstärkung. Die Relaxationsfrequenz kennzeichnet die natürliche Oszillation von Elektronen und Photonen, wenn der VCSEL Licht erzeugt, und begrenzt die Modulationsgeschwindigkeit des VCSEL. Je höher die Relaxationsfrequenz, desto höher die maximale Modulationsgeschwindigkeit des VCSEL. Somit erhöht ein Erhöhen der Trägereingrenzung die Steigung einer materiellen Verstärkung über einer Stromdichtecharakteristik, d. h. erhöht die differenzielle Verstärkung. Die erhöhte differenzielle Verstärkung erhöht die Relaxationsfrequenz, was wiederum die maximale Modulationsgeschwindigkeit des VCSEL erhöht.
Quantenmuldenstruktur, die eine verbesserte Trägereingrenzung liefert
3A ist ein schematisches Diagramm einer Quantenmuldenstruktur 300 die eine verbesserte Trägereingrenzung liefert, welche der Veranschaulichung der Erfindung dient. Bei einem Ausführungsbeispiel bildet die Quantenmuldenstruktur 300 einen Teil der aktiven Region eines VCSEL. Genauer gesagt bildet bei einem Ausführungsbeispiel die Quantenmuldenstruktur 300 einen Teil der aktiven Region eines VCSEL, der Licht mit einer Wellenlänge von näherungsweise 980 nm erzeugt.
Die Quantenmuldenstruktur 300 ist aus einer Quantenmuldenschicht 320 aus Indiumgalliumarsenid (InGaAs) und Barriereschichten 310 aus Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) gebildet, die die Quantenmuldenschicht 320 zwischen denselben anordnen. Es besteht eine Gitterfehlanpassung zwischen dem AlGaAs der Barriereschichten 310 und dem InGaAs der Quantenmuldenschicht 320, so dass die Quantenmuldenstruktur 300 belastet ist. Genauer gesagt unterwirft das Indium in dem InGaAs der Quantenmuldenschicht 320 die Quantenmuldenschicht einer Kompressionsbelastung, die die Charakteristika des Materials der Quantenmuldenschicht auf eine Weise verändert, die die differenzielle Verstärkung der Quantenmuldenstruktur 300 verändert. Wie es oben beschrieben ist, bestimmt der Bruchteil von Indium in dem Material der In-GaAs-Quantenmuldenschicht 320 den Betrag der Belastung und ist näherungsweise größer oder gleich 20 Prozent.
Die Barriereschichten 310, die die InGaAs-Quantenmuldenschicht 320 zwischen denselben anordnen, sind aus Aluminiumgalliumarsenid Al_xGa_1-xAs gebildet. Ein Alumimumbruchteil von mehr als 5 Prozent in dem Al_xGa_1-xAs der Barriereschichten 310 erhöht die Barrierehöhe zwischen dem Leitungsband der InGaAs-Quantenmuldenschicht 320 und dem Leitungsband der Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten 310, wie es oben mit Bezug auf 2 beschrieben ist.
Zudem ist der Aluminiumbruchteil in dem Al_xGa_1-xAs-Material der Barriereschichten 310 gering genug, dass das Material mit guten elektrischen und optischen Eigenschaften unter Verwendung eines standardmäßigen epitaxialen Aufwachsprozesses aufgewachsen werden kann. Der epitaxiale Aufwachsprozess ist beispielsweise eine Molekularstrahlepitaxie (MBE = Molecular Beam Epitaxy) gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist der epitaxiale Aufwachprozess eine metallorganische chemische Dampfaufbringung (MOCVD = Metal-Organic Chemical Vapor Deposition).
3B ist ein Energiediagramm der in 3A gezeigten Quantenmuldenstruktur 300, welche der Veranschaulichung der Erfindung dient. Das Energiediagramm zeigt zusätzlich die Strukturelemente der Quantenmuldenstruktur 300. Das Energiediagramm stellt eine Flachbandbedingung dar, bei der kein elektrisches Feld an die Quantenmuldenstruktur 300 angelegt ist. Die Bandlückenenergie E_gq 330 ist für den Übergang zwischen den Subbändern mit niedrigster Energie (n = 1) für ein Elektron und ein schweres Loch bei der Flachbandbedingung der Quantenmuldenschicht 320 gezeigt. Die Bandlückenenergie E_gb 360 ist für die Barriereschichten 310 gezeigt. Der obere Abschnitt 362 des Energiediagramms zeigt die Leitungsbandenergie E_c der Barriereschichten und der Quantenmuldenschicht. Der untere Abschnitt 364 des Energiediagramms zeigt die Valenzbandenergie E_v der Barriereschichten und der Quantenmuldenschicht.
Zusätzlich zeigt 3B die Barrierehöhe ΔE_c 340 zwischen dem Leitungsband der InGaAs-Quantenmuldenschicht 320 und dem Leitungsband der Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten 310. Die Barrierehöhe ΔE_c 340, die gemäß dem Ausführungsbeispiel erreicht wird, ist größer als bei einer herkömmlichen Quantenmuldenstruktur, die GaAs-Barriereschichten verwendet, und wird ohne eine zusätzliche Belastung bei der Quantenmuldenstruktur 300 erhalten. Wie es oben angegeben ist, bewirkt eine zusätzliche Belastung eine Reduzierung bei einer Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Quantenmuldenstruktur 300 durch ein Reduzieren einer Effizienz und einer differenziellen Verstärkung. Die Erhöhung der Barrierehöhe ΔE_c 340 wird ohne eine zusätzliche Belastung bei der Quantenmuldenstruktur 300 erreicht, weil die Gitterkonstanten von Aluminiumarsenid und Galliumarsenid ähnlich sind. Folglich verändert ein Hinzufügen von Aluminium zu Galliumarsenid die Belastung bei der Quantenmuldenstruktur 300 nicht erheblich.
Zusätzlich wird die Erhöhung der Barrierehöhe ΔE_c 340 erreicht, ohne irgendwelche Mittellückenzustände zu bewirken, um die InGaAs-Quantenmuldenschicht 320 zu bilden. 3B stellt einen Mittellückenzustand Ei 350 dar, der möglicherweise bei der Quantenmuldenstruktur 300 existieren könnte. Die Energie E_i 350 des Mittellückenzustands unterscheidet sich von der Valenzbandenergie der Quantenmuldenschicht 320 um die Hälfte des Werts der Bandlückenenergie E_gq 330 der Quantenmuldenschicht. Eine Rekombination bei irgendeinem existierenden Mittellückenzustand erhöht eine nichtstrahlende Rekombination. Wie es oben beschrieben ist, werden Mittellückenzustände durch die erhöhte Belastung bewirkt, die resultiert, wenn der Indiumbruchteil in der Quantenmuldenschicht bei einer Bemühung erhöht wird, die Barrierehöhe ΔE_c 340 zu erhöhen. Jedoch erhöhen Barriereschichten 310 aus Al_xGa_1-xAs die Barrierehöhe ΔE_c 340, ohne eine Belastung bei der Quantenmuldenstruktur 300 zu erhöhen und ohne die Bildung von Mittellückenzuständen zu fördern. Die nichtstrahlende Rekombination, die auftreten kann, wenn derartige Zustände bestehen, ist deshalb verhindert.
Ein Verwenden von AlGaAs als das Material der Barriereschichten 310 erhöht auch die Barrierehöhe ΔE_c 340, ohne eine Intravalenzbandstreuung einzufahren. Die zusätzliche Belastung, die aus dem herkömmlichen Ansatz eines Verwendens eines Indiumbruchteils von mehr als 20 Prozent resultiert (z. B. bei herkömmlichen InGaAs/GaAs-Quantenmuldenstrukturen), um die Barrierehöhe zu erhöhen, führt zu einer breiteren Trennung der Leichtloch- und Schwerlochzustände in dem Valenzband. Die breitere Trennung führt zu einer Verstärkungsunterdrückung bei der Quantenmuldenstruktur, da es länger dauert, das leichte Löcher zu dem Grundzustand fallen, der durch die schweren Löcher eingenommen ist. Eine strahlende Rekombination tritt lediglich bei den schweren Löchern auf. Die Barriereschichten 310 aus Al_xGa_1-xAs erhöhen die Barrierehöhe ΔE_c 340, ohne eine zusätzliche Belastung oder Verstärkungsunterdrückung einzufahren.
Bei Ausführungsbeispielen weist die Quantenmuldenstruktur 300, die in 3A gezeigt ist, abrupte Grenzflächen zwischen der Quantenmuldenschicht 320 und den Barriereschichten 310 auf. Die abrupten Grenzflächen rühren von dem InGaAs der Quantenmuldenschicht 320 und dem AlGaAs der Barriereschichten 310 her, die das gleiche Gruppe-V-Teilgitter aufweisen. Die abrupten Grenzflächen erzeugen gute optische Qualitäten der Quantenmulde und begrenzen eine Verbreiterung des Verstärkungsspektrums. Bei einer Quantenmuldenstruktur gemäß der Erfindung weisen zusätzlich die abrupten Grenzflächen zwischen den Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten 310 und der InGaAs-Quantenmuldenschicht 320 weniger Defekte auf. Die reduzierte Anzahl von Defekten reduziert die Inzidenz einer nichtstrahlenden Rekombination.
Hoher Bandlückenenergieversatzfaktor
Die InGaAs/Al_xGa_1-xAs-Quantenmuldenstruktur 300 weist einen größeren Bandlückenenergieversatzfaktor Q_c als eine herkömmliche Quantenmuldenstruktur auf. Der Bandlückenenergieversatzfaktor kennzeichnet die relativen Beiträge des Leitungsbands und des Valenzbands zu dem Versatz bei einer Bandlückenenergie zwischen der Quantenmuldenschicht und den Barriereschichten. Der Bandlückenenergieversatzfaktor ist unten in Gleichung 3 beschrieben. Qc = ΔEc/ΔEg (3)
In Gleichung 3 ist ΔE_c so, wie es oben mit Bezug auf die Barrierehöhe ΔE_c 340 beschrieben ist. ΔE_g ist die Differenz zwischen der Bandlückenenergie der Barriereschicht (d. h. E_gb 360) und der Bandlückenenergie der Quantenmul denschicht 320 (d. h. E_gq 330), wie es unten in Gleichung 4 gezeigt ist: ΔEg = Egb – Egq (4)
Ausführungsbeispiele der InGaAs/Al_xGa_1-xAs-Quantenmuldenstruktur 300 ergeben einen hohen Wert von Q_c, insbesondere verglichen mit herkömmlichen InGaAs/GaAsP-Quantenmulden. Zum Beispiel weist die InGaAs/Al_xGa_1-xAs-Quantenmuldenstruktur 300 einen Q_c-Wert von näherungsweise 0,65 auf, während eine herkömmliche InGaAs/GaAsP-Quantenmuldenstruktur einen Q_c-Wert von näherungsweise 0,4 aufweist.
Der hohe Wert von Q_c der InGaAs/Al_xGa_1-xAs-Quantenmuldenstruktur 300 erzeugt Bedingungen zum Erhöhen der Eingrenzung von Elektronen und bei einer Mehrquantenmuldenstruktur eine einheitlichere Verteilung von Löchern. Der Q_c-Wert von 0,65 der InGaAs/Al_xGa_1-xAs-Quantenmuldenstruktur 300 gibt beispielsweise an, dass das Leitungsband 65 Prozent der Bandlückenenergiedifferenz beiträgt und das Valenzband 35 Prozent der Bandlückenenergiedifferenz zwischen der InGaAs-Quantenmuldenschicht 320 und den Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten 310 beiträgt.
Eine 65/35-Teilung zwischen den Beiträgen des Leitungsbands und des Valenzbands erhöht eine Eingrenzung von Elektronen in dem Leitungsband der InGaAs-Quantenmuldenschicht 320 auf Grund der größeren Barrierehöhe ΔE_c 340 zwischen der Quantenmuldenschicht 320 und den Barriereschichten 310. Die 65/35-Teilung erhöht eine Locheingrenzung nicht erheblich, da die Leitungsbänder das Meiste des Bandlückenenergieversatzes liefern. Eine Erhöhung bei einer Locheingrenzung reduziert die maximale Modulationsgeschwindigkeit des VCSEL auf Grund eines ungleichmäßigen und/oder langsameren Trägertransports.
Wie es oben angemerkt ist, liefert der erhöhte Q_c-Wert der Quantenmuldenstruktur 300 eine einheit lichere Lochverteilung bei einer Mehrquantenmuldenstruktur. Ein niedrigerer Q_c-Wert, wie beispielsweise dieser einer InGaAs/GaAsP-Quantenmuldenstruktur erhöht eine Locheingrenzung, was die Einheitlichkeit der Lochverteilung unter den mehreren Quantenmulden verschlechtert. Dies ist so, weil die erhöhte Locheingrenzung die meisten Löcher in der Quantenmulde am nächsten zu der p-Typ-Abstandhalterschicht 20 (1B) eingrenzt, die die Löcher in die Quantenmuldenstruktur injiziert. Folglich leidet die herkömmliche Mehrquantenmuldenstruktur mit einem niedrigen Q_c-Wert unter einer nicht einheitlichen Verteilung der Lochpopulation derselben.
Bei Ausführungsbeispielen weist die InGaAs/AlGaAs-Quantenmuldenstruktur 300 einen hohen Q_c-Wert von näherungsweise 0,65 auf. Dies liefert eine erhöhte Elektroneneingrenzung und bei einer Mehrquantenmuldenstruktur eine einheitlichere Lochverteilung. Die Erhöhung der Elektroneneingrenzung erhöht eine differenzielle Verstärkung und eine Modulationsgeschwindigkeit und verbessert die Temperaturcharakteristika des VCSEL, von dem die Quantenmuldenstruktur einen Teil bildet.
Mehrquantenmuldenstruktur mit verbesserter Trägereingrenzung
4 ist ein Energiediagramm des Leitungsbands einer Mehrquantenmuldenstruktur. Während das gezeigte Beispiel die Mehrquantenmuldenstruktur eines VCSEL mit 980 nm ist, sind andere Ausführungsbeispiele für eine Verwendung bei VCSELs, die bei anderen Wellenlängen wirksam sind, gut geeignet.
Die Mehrquantenmuldenstruktur 400 ist aus N InGaAs-Quantenmuldenschichten 410 gebildet, die mit (N + 1) Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten 420 verschachtelt sind, wobei N eine Ganzzahl ist. Andere Ausführungsbeispiele der vorlie genden Erfindung weisen zusätzlich eine Grenzflächenschicht (nicht gezeigt, aber unten mit Bezug auf 5A beschrieben) zwischen jeder Quantenmuldenschicht 410 und den Barriereschichten 420 auf, die an dieselbe angrenzen. Verglichen mit einer einzigen Quantenmuldenstruktur liefert die Mehrquantenmuldenstruktur 400 von Natur aus eine erhöhte Trägereinfangrate (γ_einfang), da dieselbe mehr Quantenmulden aufweist, um die Träger einzufangen.
Damit ein VCSEL lasert, muss die optische Verstärkung des VCSEL den optischen Verlust des VCSEL überwinden. Die Quantenmuldenstruktur verwendet eine materielle Verstärkung, um den optischen Verlust zu kompensieren. Bei einer Einzelquantenmuldenstruktur muss die einzige Quantenmulde die ganze materielle Verstärkung liefern, die benötigt wird, um den optischen Verlust zu kompensieren. Ein Erzeugen der hohen materiellen Verstärkung erfordert strenge Fertigungs- und Aufwachstechniken.
Bei einer Mehrquantenmuldenstruktur, wie beispielsweise der in 4 gezeigten Mehrquantenmuldenstruktur 400, wird die materielle Verstärkung unter den Quantenmulden gemeinschaftlich verwendet. Es muss nicht jede Quantenmulde in einer Mehrquantenmuldenstruktur eine so hohe materielle Verstärkung wie die Quantenmulde einer Einzelquantenmuldenstruktur aufweisen. Da jede Quantenmulde in einer Mehrquantenmuldenstruktur weniger materielle Verstärkung liefert, kann die Quantenmulde bei einer geringeren Trägerdichte (und deshalb Stromdichte) wirksam sein. Ein Wirksamsein in dem Teil geringerer Trägerdichte der Charakteristik von materieller Verstärkung über Trägerdichte resultiert darin, dass jede der Quantenmulden mit einer höheren differenziellen Verstärkung und mit einem geringen Trägerlecken wirksam ist. Zusätzlich ist der optische Eingrenzungsfaktor für das transversale elektrische Feld für die Mehrquantenmuldenstruktur viel höher. Somit ist von einem Erhöhen der Anzahl von Quantenmulden eine erhebliche Leistungsfähigkeitsverbesserung zu erwarten.
Ein typischer VCSEL wird durch ein Leiten eines Stroms durch den VCSEL hindurch dazu gebracht zu lasern. Eine Strominjektion bewirkt, dass der Quasi-Fermi-Pegel des Leitungsbands bei dem in 4 gezeigten Energiediagramm zu dem Bandrand der Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten 420 hin ansteigt. Dies erhöht die Entweichrate von Elektronen. Bei einer Mehrquantenmuldenstruktur jedoch liegt der Quasi-Fermi-Pegel auf Grund der oben beschriebenen geringeren materiellen Verstärkung der Quantenmulden näher an dem Bandrand. Bei einer gegebenen Trägerdichte ist die materielle Verstärkung jeder Quantenmulde maximiert, wenn sich die Quasi-Fermi-Pegel zu dem Bandrand hin bewegen. Ein Verwenden von AlGaAs als das Material der Barriereschichten 420 erhöht die Barrierehöhe ΔE_c, die durch die Quantenmulden geliefert wird. Dies reduziert die Rate, mit der eingefangene Elektronen aus den Quantenmuldenschichten 410 entweichen.
Wie es oben beschrieben ist, ermöglicht ferner die erhöhte Bandlückenenergie der Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten 420, dass die Dicken sowohl der InGaAs-Quantenmuldenschichten 410 als auch der Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten reduziert werden können, ohne die differenzielle Verstärkung zu beeinträchtigen. Die Erhöhung der Trägereingrenzung, die aus der erhöhten Bandlückenenergie der Al_xGa_1-xAs-Barriereschichten resultiert, gleicht die Reduzierung der Trägereingrenzung aus, die aus einem Verringern der Dicke der Quantenmuldenschicht resultiert. Die Reduzierung bei den Dicken der Quantenmuldenschichten und der Barriereschichten ermöglicht, dass die Dichte der Quantenmulden erhöht werden kann. Bei VCSELs ähnlicher Abmessungen führt dies zu einer Verbesserung der differenziellen Verstärkung auf Grund des erhöhten Trägereinfangs, der durch die größere Anzahl von Quantenmulden in dem gleichen Raum geliefert wird. Der optische Eingrenzungsfaktor wird ebenfalls durch die Verwendung mehrerer Quantenmulden verbessert.
Ein VCSEL, der ein Ausführungsbeispiel der Mehrquantenmuldenstruktur 400 umfasst, liefert Vorteile gegenüber einem VCSEL, der eine Einzelquantenmuldenstruktur aufweist. Zum Beispiel weist die Mehrquantenmuldenstruktur eine größere Trägereinfangrate (γ_einfang) auf. Zusätzlich weist die Mehrquantenmuldenstruktur eine geringere Trägerentweichrate (γ_entweich) auf Grund dessen auf, dass jede Quantenmulde eine geringere materielle Verstärkung aufweist, und auf Grund der resultierenden erhöhten Barrierehöhe ΔE_c. In Kombination liefern diese Faktoren einen größeren Trägereingrenzungsfaktor, was zu einer besseren Trägereingrenzung, einer erhöhten differenziellen Verstärkung und letztendlich dazu führt, dass der Mehrquantenmulden-VCSEL eine größere maximale Modulationsgeschwindigkeit aufweist.
Reduzierung von Kopplung zwischen Quantenmulden
Ein zusätzlicher Vorteil von Barriereschichten aus AlGaAs gegenüber Barriereschichten aus GaAs ist eine reduzierte Kopplung zwischen den Quantenmulden einer Mehrquantenmuldenstruktur. Eine hohe Kopplung zwischen Quantenmulden kann zu einer reduzierten Verstärkung führen. 5A ist ein Energiediagramm einer exemplarischen aktiven Region, die eine Mehrquantenmuldenstruktur aufweist, die aus vier 4,3 Nanometer (nm) dicken Quantenmuldenschichten aus In_0,23Ga_0,77As gebildet ist, die mit fünf 7,0 nm dicken Barriereschichten aus GaAs verschachtelt sind. An dem Energiediagramm ist eine Kurve überlagert, die die Wellenfunktion der Elektronen darstellt, die in der Quantenmuldenstruktur eingegrenzt sind. 5A zeigt ein wesentliches Lecken der Wellenfunktion aus den Quantenmulden, dessen Ausmaß durch die Klammer 420 angegeben ist. Der berechnete Eingrenzungsfaktor für die in 5A gezeigte Wellenfunktion beträgt etwa 69%, während die berechnete Minibandbreite für den ersten Eigenzustand der Quantenmuldenstruktur etwa 1,0 meV beträgt.
5B ist ein Energiediagramm einer exemplarischen aktiven Region, die eine Quantenmuldenstruktur umfasst, die aus vier 4,3 nm dicken Quantenmuldenschichten aus In_0,23Ga_0,77As gebildet ist, die mit fünf 7,0 nm dicken Barriereschichten aus Al_0,1Ga_0,9As verschachtelt sind. An dem Energiediagramm ist eine Kurve überlagert, die die Wellenfunktion der Elektronen darstellt, die in der Quantenmuldenstruktur eingegrenzt sind. Die Emissionswellenlänge der aktiven Region, die in 5B gezeigt ist, ist die gleiche wie diese, die in 5A gezeigt ist. Ein Verwenden von AlGaAs als das Material der Barriereschichten resultiert in einem berechneten Eingrenzungsfaktor von 82% für die Wellenfunktion. Dies ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem Eingrenzungsfaktor der Quantenmuldenstruktur mit GaAs-Barriereschichten, die in 5A gezeigt ist. Ferner ist die berechnete Minibandbreite des ersten Eigenzustands reduziert. Wenn man 5B mit 5A vergleicht, zeigt sich, dass ein Verwenden von AlGaAs als dem Material der Barriereschichten eine Kopplung zwischen Quantenmulden reduziert. Die reduzierte Kopplung ermöglicht, dass die Anzahl von Quantenmulden in der aktiven Region ohne eine Reduzierung einer Verstärkung oder Verbreiterung der Linienbreite erhöht werden kann.
Quantenmuldenstruktur mit Grenzflächenschichten zum Verbessern einer Trägereingrenzung
6A zeigt eine exemplarische Quantenmuldenstruktur 600, bei der Grenzflächenschichten zwischen der Quantenmuldenschicht und den Barriereschichten eingebracht sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Grenzflächenschichten verbessern die Trägereingrenzung der Quantenmuldenstruktur. Die Quantenmuldenstruktur 600 bildet einen Teil der aktiven Region einer Licht emittierenden Vorrichtung, wie beispielsweise eines VCSEL. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bildet die Quantenmuldenstruktur einen Teil der aktiven Region eines VCSEL, der Licht mit einer Wellenlänge von 980 nm erzeugt. Andere Ausführungsbeispiele der Quantenmuldenstruktur 600 jedoch sind für eine Eingliederung in VCSELs gut geeignet, die Licht mit anderen Wellenlänge erzeugen. Die verbesserte Trägereingrenzung, die durch die Grenzflächenschichten geliefert wird, gibt der Quantenmuldenstruktur 600 eine erhöhte differenzielle Verstärkung und Relaxationsfrequenz verglichen mit einer herkömmlichen Quantenmuldenstruktur. Die erhöhte Relaxationsfrequenz erhöht die maximale Modulationsgeschwindigkeit der Quantenmuldenstruktur 600 und des VCSEL, von dem die Quantenmuldenstruktur 600 einen Teil bildet.
Die Quantenmuldenstruktur 600 ist aus einer Barriereschicht 610, einer Barriereschicht 650 und einer Quantenmuldenschicht 630 aus InGaAs zwischen der Barriereschicht 610 und der Barriereschicht 650 gebildet. Die Volumengitterkonstante des InGaAs der Quantenmuldenschicht 630 ist größer als diese des Materials der Barriereschichten 610 und 650, so dass die Quantenmuldenschicht 630 einer Kompressionsbelastung unterliegt.
Die Quantenmuldenstruktur 600 ist zusätzlich aus Grenzflächenschichten 620 und 640 gebildet, die zwischen der Quantenmuldenschicht 630 und den Barriereschichten 610 bzw. 650 eingebracht sind. Das Material der Grenzflächenschichten 620 und 640 ist Al_yGa_1-yAs, bei dem der Aluminiumbruchteil y geringer als der Aluminiumbruchteil x bei dem Al_xGa_1-xAs der Barriereschichten 610 und 650 ist. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt der Al-Bruchteil bei dem AlGaAs der Grenzflächenschichten 620 und 640 Null, d. h. das Material der Grenzflächenschichten 620 und 640 ist GaAs. Die Grenzflächenschichten 620 und 640 weisen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Dicke in dem Bereich von näherungsweise 0,1 nm bis näherungsweise 2 nm auf.
Die Grenzflächenschicht 620 ist zwischen der Barriereschicht 610 und der Quantenmuldenschicht 630 angeordnet. Die Grenzflächenschicht 640 ist zwischen der Barriereschicht 650 und der Quantenmuldenschicht 630 angeordnet. Jede Grenzflächenschicht reduziert die Verbreiterung des Verstärkungsspektrums der Quantenmuldenstruktur 600, die sich andernfalls aus einer unvollkommenen Schnittstellenbildung zwischen der Quantenmuldenschicht 630 und der Jeweiligen der Barriereschichten 610 und 650 ergeben würde.
Die Grenzflächenschichten 620 bzw. 640 erhöhen zusätzlich den wirksamen Trägereinfangquerschnitt der Quantenmuldenstruktur 600. Das Einfangen eines Trägers in der Quantenmuldenschicht 630 betrifft die Entspannung der Energie des Trägers von der Energie desselben in einer der Barriereschichten 610 und 650 zu der Grundzustandsenergie des Leitungsbands der Quantenmuldenschicht 630. Die Grenzflächenschichten 620 und 640 liefern eine graduellere Entspannung der Energie von Trägern, die dieselben durchlaufen. Dies übersetzt sich in eine erhöhte Wahrscheinlichkeit dessen, dass Träger in der Quantenmuldenschicht eingefangen werden, und eine Erhöhung der Trägereinfangrate (γ_einfang) von Elektronen. Die Trägereinfangrate γ_einfang erhöht wiederum den Trägereingrenzungsfaktor, wie es oben beschrieben ist, was die differenzielle Verstärkung und die Relaxationsfrequenz erhöht. Die erhöhte Relaxationsfrequenz erhöht die maximale Modulationsgeschwindigkeit der Quantenmuldenstruktur 600.
6B ist ein Energiediagramm der in 6A gezeigten Quantenmuldenstruktur 600. 6B zeigt die Bandlückenenergien der Barriereschichten 610 und 650, Grenzflächenschichten 620 und 640 und der Quantenmuldenschicht 630 der Quantenmuldenstruktur 600. 6B zeigt ferner die Strukturelemente der Quantenmuldenstruktur 600. Die Bandlückenenergie E_gi 660 zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband der Grenzflächenschichten 620 und 640 liegt zwischen der Bandlückenenergie E_gq 670 der InGaAs-Quantenmulden schicht und der Bandlückenenergie E_gb 680 der Barriereschichten 610 und 650.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Material der Barriereschicht 610 und der Barriereschicht 650 Al_xGa_1-xAs mit einem Al-Bruchteil x von mehr als 5 Prozent (x > 0,05).
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung ermöglichen die Grenzflächenschichten 620 bzw. 640, dass das Material der Barriereschichten 610 und 650 GaAsP sein kann. Herkömmliche Quantenmuldenstrukturen mit Barriereschichten aus GaAsP weisen auf Grund von Unvollkommenheiten bei der InGaAs/GaAsP-Grenzfläche eine reduzierte Trägereingrenzung auf, wobei das Verstärkungsspektrum der Quantenmuldenstruktur verbreitert wird. Die Grenzflächenschichten 620 und 640 erhöhen jedoch den wirksamen Trägereinfangquerschnitt der Quantenmuldenstruktur 600. Dies mäßigt die Wirkung der reduzierten Trägereingrenzung, die sich aus dem Verwenden von Barriereschichten aus GaAsP ergibt, und führt zu einer entsprechenden Erhöhung der differenziellen Verstärkung und der Relaxationsfrequenz. Die erhöhte Relaxationsfrequenz erhöht die maximale Modulationsgeschwindigkeit der Quantenmuldenstruktur 600.

Claims

Eine Quantenmuldenstruktur für eine Licht emittierende Vorrichtung (100), die Quantenmuldenstruktur aufweisend: Barriereschichten (610 und 650) aus Al_xGa_1-xAs mit einem Aluminiumbruchteil x; eine Quantenmuldenschicht (630) aus InGaAs zwischen den Barrierenschichten (610 und 650); und eine Grenzflächenschicht (620 und 640) aus Al_yGa_1-yAs mit einem geringeren Aluminiumbruchteil y als der Aluminiumbruchteil x des Al_xGa_1-xAs der Barriereschichten (610 und 650) zwischen der Quantenmuldenschicht (630) und jeder der Barrierenschichten (610 und 650), wobei die Grenzflächenschicht (620 und 640) eine Dicke in dem Bereich von 0,1 nm bis 2 nm aufweist.
Die Quantenmuldenstruktur gemäß Anspruch 1, bei der das InGaAs der Quantenmuldenschicht (630) einen Indiumbruchteil von mehr als 20 Prozent aufweist.
Die Quantenmuldenstruktur nach Anspruch 1, bei der: die Quantenmuldenstruktur eine Mehrzahl von Quantenmuldenschichten (630) aus InGaAs aufweist, wobei die Quantenmuldenschichten (630) mit den Barrierenschichten (610 und 650) verschachtelt sind; und die Grenzflächenschicht (620 und 640) zwischen jeder der Quantenmuldenschichten (630) und einer Benachbarten der Barriereschichten (620 und 640) liegt.
Die Quantenmuldenstruktur gemäß Anspruch 1, bei der die Barriereschichten (620 und 640) aus Al_xGa_1-xAs einen Aluminiumbruchteil x von mehr als 5 Prozent aufweisen.
Die Quantenmuldenstruktur gemäß Anspruch 1, wobei die Licht emittierende Vorrichtung (100) eingerichtet ist, um Licht mit einer Wellenlänge von 980 nm zu erzeugen.
Die Quantenmuldenstruktur gemäß Anspruch 1, bei der der Aluminiumbruchteil y Null ist.
Die Quantenmuldenstruktur gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Licht emittierende Vorrichtung (100) ein Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser ist.
Ein Verfahren zum Herstellen der Quantenmuldenstruktur, wobei das Verfahren aufweist: Bilden von Barriereschichten (610 und 650) aus Al_xGa_1-xAs (Schritt 210); Bilden einer Quantenmuldenschicht (630) aus InGaAs zwischen den Barriereschichten (610 und 650) (Schritt 220); und Bilden einer Grenzflächenschicht (620 und 640) zwischen der Quantenmuldenschicht (630) und jeder der Barriereschichten (610 und 650) (Schritt 230), wobei die Grenzflächenschicht (620 und 640) aus Al_yGa_1-yAs mit einem geringeren Aluminiumbruchteil y als der Aluminiumbruchteil x des Al_xGa_1-xAs der Barriereschichten gebildet wird und eine Dicke im Bereich von 0,1 nm bis 2 nm aufweist.