DE1949575B2 - Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Unter einem Halbleiterbauelement mit Heterostruktur wird generell ein solches verstanden, dessen Halbleiterkörper - abgesehen von unterschiedlichen Dotierungen - in der Grundzusammensetzung seines Wirtsgitters nicht mehr durchweg homogen ist, sondern in verschiedenen Bereichen auch verschiedene Grundzusammensetzungen im Wirtsgitter aufweist; es ist also von heterogener Struktur. Die Grenzflächen zwischen Halbleitermaterialien unterschiedlicher Grundzusammensetzung, die unterschiedlichen Energiebandabstand zwischen Leitungsband und Valenzband sowie auch unterschiedliche Brechungsindizes haben, werden als

jo HeteroÜbergänge bezeichnet, wobei zwischen einem PN-Heteroübergang und einem Übergang gemeinsamen Leitungstyps unterschieden wird, je nachdem der Leitungstyp auf beiden Seiten des HeteroÜberganges verschieden oder gleich ist. Ein PN-Übergang, wie dieser in einem Halbleitermaterial homogener Grundzusammensetzung vorhanden ist, wird hier im Interesse einer besseren Unterscheidung gegenüber einem HeteroÜbergang, falls erforderlich, als PN-Komoübergang bezeichnet. Schließlich wird, je nachdem ein Halbleiterbauelement einen oder zwei HeteroÜbergänge besitzt, von einem Halbleiterbauelement mit Einfach-(EH) oder Doppelheterostruktur(DH) gesprochen.

Weiterhin wird nachstehend zwischen dem Energiebandabstand und dem effektiven Energiebandabstand eines Halbleiters unterschieden werden. Der Energiebandabstand ist definiert als der Energie-Unterschied zwischen der minimalen Energie im Leitungsband und der maximalen Energie im Valenzband eines undotierten Halbleiters.

jo Bei Gegenwari einer ausreichend hohen Dichte von entweder Donatoren oder Akzeptoren existieren jedoch Band-Kantenverbiegungen sowohl im Leitungsais auch im Valenzband. Folglich sind auch das vorstehend erwähnte Minimum und Maximum nicht

j5 klar definiert. Der effektive Energiebandabstand wird daher wie folgt definiert. Suche das Energie-Niveau in der Nähe (gerade unterhalb) der Unterkantc des Leitungsbandes derart auf, daß gerade so viel der eingeführten Donator-Zuslände ot .rhalb wie unterhalb dieses Niveaus liegen. Suche ein ähnliches Niveau in der Nähe der Oberkante des Valenzbandes auf. Die Differenz zwischen diesen beiden Energie-Niveaus wird als der effektive Energiebandabstand bezeichnet.

In Physical Review Letters, 9 (1962), 366, berichteten

R. N. Hall et al. über ihre Beobachtung einer Emission von kohärentem Licht, die durch tLu;:ünen-Löchcr-Rekombination in PN-Übergängen von GaAs erzeugt wurde. Üblicherweise werden GaAs-Laser durch Eindiffundieren von Zink in N-leitende GaAs-Plättchen

y> mit Donalorkonzentrationen in der Größenordnung von 10"/cm^J hergestellt. Bezüglich struktureller Einzelheiten siehe J.S.Thorp »Masers and Lasers«, Kapitel 10. St. Martin's Press, New York (1967). Injektionslaser sind auch mit anderen Halbleitern, z. B. InP, InAs und InSb,

<;s hergestellt worden. Alle diese Laser sind aus einem einzigen Halbleitermaterial hergestellt und üblicherweise einkristallin (US-PS 32 45 002). Die kohärente Strahlung rührt von Elektronenübergängen zwischen breiten Energiebandniveaus, nämlich den Leitungs- und

ho Valenzbändern, her. Die Elektronenübergänge werden hauptsächlich durch Injektion von Elektronen in die P-Seite des PN-Übergangs bei Stromzufuhr in Durchlaßrichtung angeregt. Der Injektionsprozeß erzeugt eine Umkehr der Besetzungsverteilung zwischen einem

μ Elektronenenergieniveaupaar, wenn die Anregung mit genügend hoher Leistung erfolgt. Die Schwellenwertleistung für stimulierte Emission ist aber sehr hoch (10' Watt/cm* bei Zimmertemperatur) und führt deshalb

alsbald zu einer Beschädigung des Halbleiters. Dauerstrichbetrieb bei Zimmertemperatur war daher bisher nicht möglich.

Da die Schwellenwertleistung (oder äquivalent hierzu die Schwellenwertstromdichte) bekanntlich zur dritten Potenz der absoluten Temperatur — jedenfalls in der Gegend der Zimmertemperatur — etwa proportional ist, werden Halbleiterlaser generell bei tiefen Temperaturen leichter betrieben.

Die bisherigen Anstrengungen gingen deshalb dahin. Wege zu finden, auf denen die Schwellenwertstromdichte eines Halbleiterinjektionslasers verringert werden kann.

Hierzu ist es nach der GB-PS 10 75 247 bekannt, die Dichte der injizierten Ladungsträger dadurch zu erhöhen, daß Ladungsträger in hoher Dichte in die Basis des Halbleiterbauelementes injiziert werden. Hierzu weist das bekannte Halbleiterbauelement auf der Basis eine Injektorelektrode auf, die mit der Basis einen PN-Heteroübergang bildet. Im einzelnen ist dabei die Basis aus einem schwachdotierten Haibieiiermateriai relativ schmalen Bandabstandes, z. B. Germanium, gebildet, während die Injektorelektrode a'>s einem Halbleitermaterial breiteren Bandabstandes, z. B. GaAs, besteht, das stärker als das Basismaterial dotiert ist. Bevorzugt ist am anderen Ende der Basis noch eine weitere Injektorelektrode aus einem Halbleitermaterial gleichfalls breiteren Bandabstandes vorgesehen, die einen HeteroÜbergang gemeinsamen Leitungstyps mit der Basis bildet.

Nach den Angaben der genannten GB-PS, Seite 6, Zeilen 25 bis 50. wird bei Vorspannung des Halbleiterbauelementes in Durchlaßrichtung ein Spannungsabfall zwischen den Injektorelektroden und der Basis erzeugt, und im Ergebnis sollen Elektronen und Löcher im mittleren Basisbereich eingefangen werden und den Aufbau sehr hoher Injektionsdichten ermöglichen. Die Elektronen werden dabei im wesentlichen im Gleichgewicht mit dem N-Injektor und von dessen Fcrminivcau gesteuert st.n, während die Löcher im Gleichgewicht mit dem P-Injektor stehen und von dessen Fcrminivcau gesteuert sind. Das Prinzip der Elektrjneutralität erfordert dabei, daß die beiden injizierten Ladungsträgerdichten gleich sind, d. h., daß die Abstände der Kanten der beiden Bänder von ihren jeweiligen Ferminiveaus ebenlalls etwa gleich sein müssen. Da die Fcrminivcau-Durchdringung im Basisbereich die der Injektorelektroden überschreitet, überschreitet die injizierte Lndungsträgerdichtc in der Basis ebenfalls die Dichte in den Injektoren. Auf diese Weise sollen die hohen Injektionswerte bzw. Ladiingsträgerdichtcn in der Basis «.-ine Umkehr der Besetzungsverteilung <uich dann erzeugen, wenn es sich um ein sog. Indirektübergangshalbleitermaterial handelt. Die bei dem bekannten Laser erforderlichen Schwellenwertstromdichten waren aber immer noch viel zu hoch, um einen Dauerstrichbetrieb bei Zimmertemperatur zu ermöglichen.

Weiterhin ist durch die CH-PS 4 32 023 ein Injektionslaser mit drei Schichten im Halbleiterkörper bekannt, von denen die mittlere, den PN-Übergang aufweisende Schicht von zwei Schichten niedrigeren Brechungsindexes flankiert ist. An den beiden Grenzflächen sind also gleichfalls HeteroÜbergänge vorhanden. Die Energiebandabstandsunterschiede an den beiden HeteroÜbergängen sind aber zu klein, um außer der gewollten Brechungsind, xänderung noch irgendwelche andere Effekte zeitigen zu können. Im einzelnen ist die Dicke der mittleren Schicht 1 bis 6OA, wobei der Abstand des in der mittleren Schicht verlaufenden PN-Überganges zu jeder der beiden Grenzflächen mindestens Λ/2 betragen soll, wenn λ die Wellenlänge der emittierten Strahlung ist. Als Beispiel wird λ=0,2 μιη angegeben, so daß die Dicke der mittleren Schicht 0,2 bis 12 μπι beträgt. Diemer faßt die drei Halbleiterschichten seines Injektionslasers als Wellenleiter auf, mit dem die stimulierte Emission auf die

to mittlere Schicht eingegrenzt wird und so optische Verluste im Interesse einer Schwellenwertstromdichtenherabsetzung vermieden werden können. Deshalb hat Diemer die untere Grenze für die Dicke der mittleren Schicht auch dort gesetzt, wo ein optischer

is Wellenleiter aufhört, ein solcher zu sein. Bekanntlich nehmen nämlich Beugungsverluste in einem optischen Wellenleiter stark zu, wenn dessen Abmessungen auf die Größenordnung der geführten Wellenlänge verringert werden. Die tatsächlichen Verhältnisse weichen aber von der Wellenleitermodellvo· .(ellung noch recht stark ab, weil die effektiven »Be^renzungsflächeit« dieses Wellenleiters weder glattflächig noch scharf definiert, sondern zum Teil recht unebene, diffuse Gebilde sind. Die Beugungsverluste in einem solchen

2ϊ nicht-idealen Wellenleiter nehmen deshalb schon bei größeren Abmessungen unangenehm stark zu. Der mit optischer Eingrenzung befaßte Fachmann wird daher stets einen ausreichenden Sicherheitsabstand von der von Diemer angegebenen unteren Crenze einhalten,

ίο wenn er die optische Eingrenzung optimalisieren will. Jedoch vermöchte selbst eine optimalisierte optische Eingrenzung nicht die Schwellenwertstromdichte so weit herabzusetzen, daß ein Dauerstrichbetrieb bei Zimmertemperatur in Aussicht genommen werden

r? könnte.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Schwellcnwertstromdichte der Halbleiterlaserdiode der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art i-o weit herabzusetzen, daß die Möglichkeit eines Dauerstrich-

4i) betriebes auch bei Zimmertemperaturen grundsätzlich erci'fnet wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruches I angegeben.
Erfindungsgemäß wird also wegrn des solcherart

•π dicht beim PN-Übergang gelegenen HeteroÜberganges und wegen der von letzterem erzeugten Potentialschwelle erreicht, daß der Hetcroübergang — grob gesprochen - wie eine Staustufe im Diffusionsweg der vom PN-Übergang aus injizierten Minoritä'.siadungs-

vi träger wirkt und diese an einer weiteren Eindiffusion zu hindern vermag. Die Minoritätsladungsträgerdichte nimmt demgemäß gerade in der zwischen PN-Übergang und HeteroÜbergang gelegenen aktiven Zone zu. in der die strahlende Elektronen/Löcher-Rekombina-

Vi tion stattfindet. Dirch diese höhere Ladungsträgerdichte kann ersichtlich die für die stimulierte Emission erforderliche Umkehr der Besetzungsverteilung bei viel geringeren Stromdichten erreicht werden. Die damit erzielbare Schwe.ienwertstromdichteverringerung ist

Mi beachtlich. So konnte mit einem solchen Heterostruki:ur-AIGaAs-L.aser bei einer Stromdichte von. knapp 10 000 A/cm² A/cm² stimulierte Emissioi: bei Zimmertemperatur erreicht werden. Diese Stromdichtenwerte eröffnen grundsätzlich die Möglichkeit eines Dauer-

hi ütrichbetriebs bei Zimmertemperatur.

Der der Erfindung zugrunde liegende überraschende Befund ist also der, daß der bei solcherart dünnen Zwischenzonen erzielte Gewinn durch die Lodungs-

trägereingrenzung den Verlust bei weitem überwiegi. der durch die bei derart dünnen Zwischenzonen ausgesprochen schlecht gewordenen optischen Eingrenzungen verursacht wird, so daß gleichwohl eine beachtliche Schwellenwertstromdichtenherabsetzung erzielbar ist.

Nachstehend ist die Erfindung und sind Weiterbildungen hiervon anhand von Ausführungsbeispielen im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lasers,

F-" i g. 2A das Energiebandschema des Lasers nach Γ i g. I in einer ersten Ausführiingsform.

F" ig. 2B das F.nergiebandschema des Lasers nach F i g. I in einer weiteren Ausführungsform,

F i g. JA und 3B Diagramme zur Darstellung der F.nergiezustandsbesctzung bei tiefen bzw. hohen Temperaturen für bekannte Laser.

Γ 1 g. 3C CHI DlUgIiIl[IlIl ZUI DiIlMlM¹IUMg UCl ElIfIgIf-

zustandsbesetzung bei hohen Temperaturen im als P-Ieitend angenommenen Zwischenbcrcich zwischen PN-Übergang und HeteroÜbergang eines erfindungsge mäßen Lasers.

F-" i g. 4Λ und 4B je ein Diagramm zur Darstellung der Energiezustandsbesetzung bei hoher Temperatur bei Gegenwart energetisch niedriger Donator-Zustünde nahe dem Leitungsband bzw. bei Gegenwart energetisch niedriger Akzeptorzustände nahe dem Valenzband, und

Fig.4C ein Diagramm zur Darstellung der Energiezustandsbesetzung bei hohen Temperaturen bei Gegenwart energetisch niedriger Bandkantenverbicgungszustände.

Wie oben bereits angegeben, wci«.' der Halbleiter-Injektions-Laser einen Halbleiterkörper aus zwei verschiedenen Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Energiebandabständen auf. wobei ein PN-Übergang in dem Halbleitermaterial des schmaleren Bandabstandes gelegen und von der Grenzfläche zwischen den beiden verschiedenen Halbleitermaterialien, dem Heteroübergang. um einen Abstand entfernt ist, der kleiner als die Diffusionsweglänge der Minoritätsladungsträger bei Betriebstemperatur ist. so daß im Halbleiterkörper ein Bereich mit schmalerem Bandabstand, ein zwischen dem HeteroÜbergang und dem PN-Übergang gelegener Zwischenbereich und ein Bereich mit breiterem Bandabstand definiert sind. Ein von einer Energiestufe im Leitungsband erzeugter Eingrenzungseffekt ermöglicht Dauerstrichbetrieb bei höheren Temperaturen und niedrigeren Schwellenwertstromdichten als es bisher möglich war, w"bei eine strahlende Elektronen-Löcher-Rekombination zwischen Leitungs- und Valenzband auftritt.

Eine zusätzliche Verringerung der Schwellenwertstromdichte kann dadurch erreicht werden, daß energetisch niedrige Akzeptorzustände oder Bandkantenverbiegungszustände nahe dem Valenzband im Bereich schmaleren Bandabstandes und/oder im Zwischenbereich vorgesehen werden. (Isolierte Akzeptorzustände einige AT oberhalb der Valenzbandkante werden hier als energetisch niedrige Akzeptorzustände und isolierte Donatorzustände einige kT unterhalb der Leitungsbandkante werden hier als energetisch niedrige Donatorzustände bezeichnet (vgl. auch F i g. 4A und 4B), A: bedeutet die Boltzmann'sche Konstante und Γ die absoiute Temperatur der Anordnung.) Hierbei ist stimulierte Emission im Dauerstrichbetrieb durch Elektronen-Löcher-Rekombination zwischen dem Lei

tungsband und den energetisch niedrigen Niveaus erzielbar. Eine noch weitergehende Verbesserung des Temperaturkoeffizienten der Schwellenwertstromdichte kann dadurch erreicht werden, daß zusätzlich zu den Valenzbandkantenverbicgungen noch Leitungsbandkantenverbiegungen vorgesehen sind. Bei einem Ausführungsbeispiel werden als Halbleitermaterialien GaAs und ein Mischkristall aus P-AI₁GaI- ,As verwendet, wobei der Bandabstand im Mischkristall (aufgrund des Al-Gehaltes)dergrößere ist.

In Fig. 1 ist als Aiisführungsbeispiel ein Halbleiter-Injcktions-Laser 10 dargestellt, der Schichten 12 und 14 breiten bzw. schmalen Bandabstandes aufweist, wobei die Schichten aus auf einer Wärmesenke 16 angeordneten unterschiedlichen Halbleitermaterialien hergestellt sind und zwischen sich einen Hcleroübergang 23 bilden. Eine Stromquelle 18 ist an die Anordnung über Elektroden 20 und 22 angeschlossen, die ihrerseits auf ufi uueieii Ouei fläche ufi Seinem Ί2 bzw. /wischen der Wärmesenke 16 und der Schicht 14 niedergeschlagen sind. Ein /.wischenbereich 24 ist als der Bereich zwischen dem HeteroÜbergang 23 und einem PN-Übergang 25 definiert, wobei letzterer in der Schicht 14 mit schmalem Bundabstand angeordnet ist. Wenn der Laser von der Quelle 18 in Durchlaßrichtung ausreichend vorgespannt ist. emittiert er kohärente Strahlung 26 in der Ebene des Bereichs 24. Die beiden gegenüberliegenden CVerflachen 28 und 30, die senkrecht zur Ebene des Zwischenbereichs 24 orientiert sind, sind poliert oder plan-parallel geschliffen, und zwar nach allgemein bekannten Methoden auf einige wenige Wellenlängen der kohärenten Strahlung genau, um einen plan-parallelen optischen Resonator zu bilden. Die beiden anderen, senkrecht zum Bereich 24 orientierten Oberflächen 32 und 34 können gerauht ausgeführt sein. Eine reflektierende Beschichtung auf den polierten Oberflächen 28, 30 oder eine Anordnung mit vier polierten Seiten kann verwendet werden, um den Gütefaktor ζ) des optischen Resonators zu vergrößern.

Der aufgrund des Diodcn-Aufbaus ei :iclte Eingrenzungseffekt des Injektions-Lasers wird nachstehend im einzelnen erläutert. Die Diode besteht aus zwei Halbleitermaterialien mit verschiedenen Bandabständen, wobei der PN-Übergang in dem Bereich mit dem schmaleren Bandabstand gelegen und von der Grenzfläche zwischen den verschiedenen Halbleitermaterialien, dem HeteroÜbergang, um einen Abstand d entfernt ist. der kleiner als die Diffusionslänge der vom PN-Übergang zum HeteroÜbergang injizierten Minoritätsladungsträger bei der Betriebstemperatur des Lasers ist. Typischerweise liegt die Diffusionsweglänge des iVIirioritätsladungsträger in der Größenordnung μπι. Sie beträgt z. B. für Elektronen in GaAs bei Zimmertemperatur einige μπι.

Der getrennte PN-Übergang und der Heteroübergang definieren daher drei hier interessierende Bereiche: einen Bereich mit schmalem Bandabstand des einen Leitungstyps, einen Zwischenbereich und einen Bereich mit breitem Bandabstand des zweiten Leitungstyps. Der Zwischenbereich kann einen effektiven Bandabstand haben, der gleich oder etwas kleiner ist als der des Bereiches mit dem schmalen Bandabstand und ist im allgemeinen vom gleichen Leitungstyps wie der Bereich mit dem breiten Bandabstand, obgleich er weniger stark als der Bereich mit dem breiten Bandabstand dotiert sein kann.

Für die nachstehende Beschreibung sei zu Erläuterungszwecken angenommen, daß der jeweilige Lei-

tungslyp des Bereiches mil dem schmalen ßandabstand. des Zwischenbereiches und des Bereiches mit dem breiten Bandabstand NPP in der angegebenen Reihenfolge ist. Der effektive Bandabstand jeder dieser Bereiche sei mit E_fn. E_F,bzw. /^,,bezeichnet.

Eingrcnzungs-Effekt

Ux.er Vorspannung in Durchlaßrichtung werden, siehe Fig. 2A, Minoritätsladungsträger, im angenommenen Beispiel Elektronen, vom PN-Übergang aus in den Zwischcnbcreieh in Richtung auf den 1 letcroübergang hin injiziert. Wenn eine Umkehr in der Besetzungsverteilung zwischen den I.citungs- und Valenzbändern erzeugt und die Schwellenwertslromclichte für stimulierte Emission überschritten wird, tritt stimulierte, strahlende Rekombination zwischen den Elektronen im Leitungsband und den Löchern im Valenzband auf. Bei üblichen Dioden-Aufbauten durch-Änderung der Verteilung tritt im Valenzband auf, jedoch zu einem kleineren Ausmaß. Die kombinierte Wirkung dieser beiden Änderungen in der Verteilung ist die. daß der Bruchteil der Elektronen, der zur stimulierten Emission beitragen kann, mil zunehmender Temperatur abnimmt, was höhere Schwellenwertstromdichte bei höheren Temperaturen (d. h. einen reduzier ten Wirkungsgrad) bedingt.

Bei dem beschriebenen Injektions-Laser ist jedoch wegen des erwähnten Eingrenzungseffektes die Elektronendichte in dem Zwischenbereich erhöhl, wie dieses im oberen Teil der Γ· i g. 3C dargestellt ist. Darüber hinaus befindet sich das neue Ferminiveau Ε'Ί, auf einem höheren Energieniveau als das entsprechende Niveau bei üblichen Anordnungen (es liegt also höher als E Vt> F i g. 3B). Folglich befindet sich, wie in Fig. 3C dargestellt ist, ein größerer Teil der Elektronen »dicht beim« Ferminiveau £'"/,> es kann daher ein größerer

MIJI/.H.I 11.1

Vorspannung in Durchlaßrichtung und diffundieren. wenn keine Beschränkung wie der HeteroÜbergang vorhanden ist. relativ tief in den P-Bcreich, wodurch die Dichte der Elektronen abnimmt, die einer Rekombination in demjenigen Bereich unterliegen, in welchem stimulierte Emission auftritt: die .Schwellenwertstromdichte erhöht sich deshalb.

Vorliegend werden jedoch die in den Zwischenbereich injizierten Elektronen auf diesen durch die Energie-Stufe am Mctcroübcrgang (Fig. 2A) begrenzt, die durch den Umstand erzeugt ist. daß E_pr größer als E_f, ist. Γ lese Energiestufe hindert die Elektronen an einem Durchqueren des HeteroÜberganges, grenzt sie also auf den Zwischenbercich ein. Folglich ist die Elektronendichte im Zwischenbercich höher als sie es anderweitig ohne diese Eingrenzung sein würde. Diese erhöhte Elektronendichte reduziert die Schwellenwertstromdichte für stimulierte Emission, wie anhand der F i g. 3A bis 3C leicht verstanden werden kann. Die F i g. 3A und 3B zeigen die Energiezustandbesetzungen für bekannte Laser bei hohen bzw. tiefen Temperaturen, während Fig. 3C sich auf die entsprechenden Verhältnisse bei hohen Temperaturen in einer Anordnung bezieht, die den vorliegenden Eingrenzungseffekt aufweist. Zu Vergleichszwecken ist angenommen, daß die zugeführte Stromdichte für die übliche (Fig. 3B) und die erfindungsgemäße (F i g. 3C) Anordnung die gleiche ist.

Vor der Erläuterung dieser Figuren sei ein Fundamentalprinzip der Halbleiter-Laser-Wirkung postuliert: nur jene Elektronen, deren Energien dicht beim Ferminiveau im Leitungsband (Ef„) liegen, und nur jene Löcher, deren Energien dicht beim Ferminiveau im Valenzband (EfJ liegen, können zur stimulierten Emission beitragen, wobei mit »dicht bei« gemeint ist, daß die Ladungsträgerenergien innerhalb etwa 1 bis 2 ArTbeim Ferminiveau liegen.

Bei tiefen Temperaturen (Fig.3A) besetzen die Elektronen 100% der Zustände im Leitungsband bis zum Ferminiveau £f„ und die Löcher besetzen (oder die Elektronen fehlen in) 100% der Zustände im Valenzband oberhalb Ef* Theoretisch existiert daher eine vollkommene Umkehr der Besetzungsverteilung zwischen diesen beiden Fermi-Energien Efc und Ef,-. Bei erhöhten Temperaturen sind jedoch (siehe F i g. 3B) die Elektronen wegen thermischer Anregung bis zu höheren Energieniveaus verteilt Als Ergebnis existert nun ein größerer Bruchteil der Elektronen bei höheren Energien weitab vom (d. h. um mehr als etwa 1 bis 2 kT entfernt) neuen Ferminiveau E'fo Eine ähnliche

ICIlUCl L-ICMIUIICII /Ul 5IiIIIUIICItCII L-MIITlIUiI UCUIcIgCII.

wodurch die Schwellenwcrtstromdiehte reduziert wird.

Die NPP-Anordnung der F i g. 2A hat eine zusätzliche Eigenschaft, die von dem Umstand herrührt, daß der effektive Bandabstand im Zwischenbereich kleiner ist als der effektive Bandabstand E_fn auf der N-Seite (d. h., der effektive Bandabstand im Zwischenbereich ist allgemein kleiner als derjenige im Bereich mit dem schmalen Bandabstand). Folglich sind die Löcher im Zwischenbereich daran gehindert, in die N-Seite einzudiffundieren, was zur Verringerung der Schwellenwertstromdichte für stimulierte Emission wirksam beiträgt.

Ein typischer Laser, der entsprechend den vorstehenden Prinzipien aufgebaut worden war. arbeitete bei etwa 900 nm. wenn er bei Zimmertemperatur mit einer Stromdichte von weniger als 10 000 A/cm² angeregt wurde. Die Anordnung wies mit Sn dotiertes, N-Ieitendes GaAs mit 4,2 χ IO¹⁸ Elektronen/cm' auf. Ein P-Ieitender AI,Gai_,As-Bereich mit breitem Bandabstand wurde nach einer Kipp-Methode bei 1000⁰C erzeugt (nach welcher der Mischkristall auf einem GaAs-Einkristall epitaktisch gezüchtet wurde, und zwar unter Verwendung von 1 mg Ga, 3,84 mg Al, 200 mg GaAs und 10 mg Zn). Der Zwischenbereich wurde durch Eindiffusion von Zink in das N-Ieitende GaAs erzeugt. Typische Werte, in μΐη, sind für die in Fig. 1 eingezeichneten Abmessungen die folgenden: a = 355; 6=12,7; £>'= 102 und c= 152. Der Bereich mit dem schmalen Bandabstand, der Zwischenbereich und der Bereich mit dem breiten Bandabstand hatten die jeweilige Tiefe von 127 bis 152 μπι: 1,5 μΐη; bzw. 20 um Zur Verstärkung der Wärme-Abfuhr aus der Vorrichtung kann der Bereich mit dem schmalen Bandabstand (N-GaAs) beträchtlich dünner sein (z. B. kleiner als 12,7 μπι).

Aufbau mit energetisch niedrigen Zuständen

Zusätzlich zu dem Eingrenzungseffekt können energetisch niedrige Zustände — entweder energetisch niedrige isolierte Störstellenzustände oder energetisch niedrige Bandkantenverbiegungen — nahe dem Valenzband in dem Bereich mit dem schmalen Bandabstand vorgesehen sein, wie dieses in Fig.2B dargestellt ist Zur Erläuterung ist wieder angenommen, daß es sich um eine NPP-Anordnung handelt (wobei sich NPP auf den Leitungstyp des Bereichs mit dem schmalen Bandabsland des Zwischenbereichs bzw. des Bereichs mit breitem Bandabstand bezieht). Sonach sind in Fig.2B die energetisch niedrigen Zustände in zumindest dem

N-Ieitenden Bereich mit dem schmalen Bandabstand vorgesehen. In diesem Fall erzeugt die Stromquelle 18 (Fig. I) eine Umkehr der Besetzungsverteilung zwischen den Elektronen im Leitungsband und den Löchern in den energetisch niedrigen Zuständen, und folglich erzeugt eine strahlende Rekombination der Löcher und Elektronen eine kohärente Strahlung im Dauerbetrieb, wie dieses dutch den Doppelpfeil in dem N-Ieitenden Bereich mit dem schmalen Bandabstand dargestellt ist. Es ist jedoch für die strahlende Rekombination auch möglich, in dem Zwischenbereich zu erscheinen. Bei der Anordnung mit energetisch niedrigen Zuständen dient der ileteroübergang hauptsächlich zur Steuerung des Typs der Minoritätsladungsträgcrlnjcktion. die vorherrschend ist. Bei der NPP-Anordnung ist die Löcher-Injektion vom Valenzband in die energetisch niedrigen Zustände auf der N-Seitc vorherrschend. In einer solchen Vorrichtung kann es wünschenswert sein, dal) d sehr schmal ist, d. h., daß d viel kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger ist. Beispielsweise liegt die Strahlung bei Zimmertemperatur im nahen Infraroten bei etwa 1.30 eV (950 nm) für einen Injektions-Laser, bei dem die beiden verwendeten Halbleitermaterialien GaAs und ein Mischkristall aus P-AI,Gai-,As sind, wobei die tiefen Dotierstoffzustände durch eine Dotierung mit Mangan erzeugt s^;nd und der Bandabstand im Mischkristall der größere ist.

Die zusätzliche Verringerung des Temperatur-Koeffizienten der Schwellenwertstromdichtc durch das Vorsehen energetisch niedriger Bandkantenverbiegungszustände nahe dem Leitungsband ist ein weiterer erreichbarer Vorteil. Diese Methode soll nachstehend im einzelnen erläutert werden.

Die nachstehenden Materialien und Parameter sind nur beispielhaft und nicht im beschränkenden Sinne aufzufassen.

Ein Halbleiter-Injektions-Laser, wie er in F i g. 1 dargestellt ist, kann unter Verwendung folgender Daten aufgebaut werden: eine Schicht 14 mit dem schmalen Bandabstand (N-Ieitend, ausgenommen den Zwischenbereich 24). die GaAs aufweist und aus einer Ga-Lösung mit 1 bis 10 mg Mn und 0.1 bis 2 mg Te pro 1 g Ga gezüchtet ist; eine P-Ieitende Schicht 12 mit dem breiten Bandabstand, die P-AI,Gai_,As (v= 0.1 bis 0,5) aufweist, d.h.. einen Mischkristall aus AIAs und GaAs, der aus schmelzflüssiger Lösung von I bis 10 mg Zn. 1 bis 10 mg Mn und 1 bis 10 mg Al auf I g Ga als Lösungsmittel gezüchtet ist: Elektroden 20 und 22, die Ti und Au bzw. Sn und Ni aufweisen. Typische Abmessungen sind (in μηι) a = 371; b'= 103; b= 127; und C= 152. Die Tiefe der Bereiche mit breitem und schmalem Bandabstand ist typischerweise 20 μηι bzw. 12,7 μπι, während die Dicke des Zwischenbereichs, wie erwähnt, viel kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger ist.

Theorie der energetisch niedrigen Zustände

Die nachstehende Erläuterung richtet sich auf verschiedene, zwar einem GaAs-Laser zugeordnete Probleme, aber die angegebenen Probleme und Lösungen treffen in gleicher Weise auch auf Halbleiter-Laser zu, die unter Verwendung anderer Materialien wie InP, InAs und InSb aufgebaut sind.

Wie eingangs erwähnt, ist eines der ernsten Probleme bei üblichen GaAs-Injektions-Lasem der Umstand, daß die Schwellenwertstromdichte für stimulierte Emission sehr stark mit der Temperatur in der Nähe der Zimmertemperatur zunimmt — sie ist annähernd proportional zh T^! -,so daß die Schwellenwertstromdichte bei Zimmertemperatur etwa 50- bis lOOmal so groß ist als bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs (77° K). Folglich erfordert der übliche GaAs-Injektions-Laser, der bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs leicht stimuliert emittiert, große Stromdichten (beispielsweise 30 000 A/cm²) bei Zimmertemperatur, so daß nur ein Impulsbetrieb, nicht aber ein Dauerbetrieb möglich war.

Die Hauptursache dieser exponentiellen Temperaturabhängigkeit der Schwcllenwcrtstromdicht; ist die Änderung der Ladungsträgerverteilung mit der Temperatur im Leitungs- und Valenzband, wie diese vorstc hend anhand der Fig. 3A und 3B erläutert worden ist. Die hohe Schwellenwertstromdichtc bei hohen Temperaturen kann zusätzlich zu der Verwendung ocs Eingrenzungs-Effektes durch eine Modifikation dor Bandform vermieden werden, wie dieses vorstehend kurz angedeutet wurde und nachstehend anhand der Fig. 4A bis 4C beschrieben werden soll. Diese Figuren zeigen die verschiedenen Energie/.usiandsbesclzungen bei crhöhterTtMiiperatur.

F.ine Methode würde z. B. sein, energetisch niedrige, isolierte Donatorzustände nahe dem Leitungsband in einem üblichen Halbleiter-Laser. /.. B. einem GaAs-Laser. vorzusehen, der hauptsächlich auf Elektronen-Injektion beruht. Mit energetisch niedrig ist. wie erwähnt, gemeint, daß der F.ncrgicabstand En zwischen der Unterkante des Leitungsbandes und den Donatoi/uständen (siehe Fig.4A) zumindest ein Mehrfaches von kT (beispielsweise 2 bis b kT) beträgt. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, dann werden Elektronen des Donatorniveaus nicht durch thermische Anregung auf das Leitungsband angehoben. Daher würde eine Umkehr der Besetzungsverteilung zwischen den Ladungsträgern in dem Dotierstoff-Niveau und dem Valenzband bei höheren Temperaturen aufrechterhalten werden. Ein Problem verbleibt jedoch. Die Energie E_n ist im Wasserstoff-Modell in erster Annäherung proportional zu mje². wobei /H₁. die effektive Elcktronenmasse und e die Dielektrizitätskonstan.e bedeuten. In GaAs und anderen ähnlichen Halbleitern, wie InP. InAs und InSb. ist /;;,· /u klein, um ein diskretes, isoliertes Donator-Niveau zu erzeugen, das sich vom Leitungsband unterscheiden läßt (d. h. En ist typischerweise nur 3 oder 4 meV in GaAs. während £7"=26meV bei Zimmertemperatur beträgt). Folglich ist es schwierig, ein Dotierstoffelement zu erhallen, das die geforderten energetisch niedrigen Donator-Zustände erzeugt, um die Umkehr der Besetzungsverteilung bei höheren Temperaturen aufrechtzuerhalten.

Andererseits ist die effektive Löcher-Masse mti viel größer als m_e (beispielsweise ist /7M= 10 m_c in GaAs). Folglich würden entsprechend dem Wasserstoff-Modell Akzeptor-Niveaus viel tiefer als die Donator-Niveaus liegen, wie dieses in F i g. 4B dargestellt ist (beispielsweise liegt Ea 30 bis 40 meV oberhalb des Valenzbandes in GaAs). Zusätzlich liefern mehrere Elemente wie Mangan, Cobalt, Nickel, Kupfer oder Gold Akzeptor-Niveaus, die niedriger als 100 meV oberhalb des Valenzbandes in GaAs liegen. Um jedoch ein solches Akzeptor-Niveau zum Erhalt einer stabileren Umkehr der Besetzungsverteilung bei höheren Temperaturen zu verwenden, ist es wünschenswert, daß gewisse Kriterien in dem Bereich erfüllt sind, in welchem die strahlende Rekombination auftritt. Nämlich (1.) sollte die Elektronendichte im Leitungsband hoch genug sein, um gegenüber durch thermische Anregung verursachten

Änderungen in der Verteilung relativ unempfindlich zu sein, ιιηΊ (2.) sollten die Löcher vollständig die energetisch niedrigen Akzeplor-Zustände besetzen, wobei aber nur wenige Löcher Zustände im Vnlenzband besetzen sollten, und die Löcher-Dichte in den Akzeptor-Zuständcn sollte so sein, daß auf eine Rekombination hin hinreichende Intensität für stimulierte Emission erzeugt wird.

Diese Kriterien werden beim vorliegenden Halbleiter-Injektions-Laser erfüllt, der, wie vorstehend erwähnt, ein Paar halbleitender Materialien mit verschiedenen Bandabständen aufweist, ferner einen PN-Übergang in dem Material mit dem schmalen Bandabsland, der von eier "hasengrenze um einen Abstand kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsladungstrügcr bei Betriebstemperatur entfernt ist, wodurch ein Zwischenbereich /wischen dem Übergang und der Phasengren/e definiert wird. Zusätzlich sind vom Valenzband isolierte Akzeptor-Zusiände in dem Zwischenbereich und/oder dem Bereich mit dem schmalen Bandabstand durch geeignetes Dotieren vorgesehen. Diese Anordnung erzeugt eine Energiestufe (l'ig. 2A und 2B) im Leitungsband, die eine Elektronendiffusion über den Meteroübergang hinaus in die Seite mit dem breiten Uandabstand verhindert. Als Ergebnis dieses Eingrcn-/ungscffcktes wird, wie verstehend erläutert, die Elektroncndichte im Zwischcnbereich bei Vorspannung in Durchlaßrichtung auf einem höheren Wert gehalten als dies anderweitig bei üblii_,ien Anordnungen ohne diesen Eingrenzungseffekt möglich wäre. Daher ist die Bedingung (I) erfüllt. Unter geeigneter Vorspannung in Durchlaßrichtung erfüllt eine richtige Akzeptor-Dotierung die Bedingung (2).

Alternativ können, wie in l'ig. 4C dargestellt, energetisch niedrige Zustünde durch eine starke Dotierung (z. B. lO'Vern¹) erhalten werden, die in dem Zwischenbereich und/oder dem Bereich mit dem schmalen Bandabstand Bandk.intenverbiegungen statt energetisch niedriger, isolierter Dotierstoff/ustände erzeugt, die sich vom Valenzband und/oder vom Leitungsband in die verbotene Zone erstrecken. Diese Bandkantenverbiegungen halten wie die energetisch niedrigen Dotierstoffzustände eine relativ konstante Ladungstragerverteilung trotz thermischer Anregung aufrecht, vorausgesetzt, daß sie mehr als einige ZtTvon der Bandkante entfernt sind. Typische Dotierstoffe, die sowohl Leitungs- als auch Valenzband-Kantenverbiegungen erzeugen werden, sind vor allem Silicium.

Germanium und Zinn. Andererseits wird Tellur allein Leitungsbandkantenverbiegungen erzeugen, während Zink für sich allein Valenzbandkantenverbiegungen erzeugt. Zusätzlich sind Mischkristalle wie In.Gai .,As besonders für die Existenz tiefer Bandkantenverbiegungen geeignet, d. h., für eine Dioden-Anordnung, bei der die beiden Halbleiter-Materialien ein Mischkristall aus In.Gai - ,As sowie P-GaAs sind, wobei der Mischkristall den schmaleren Bandabstand hat. Alternativ könnte der Mischkristall GaAs^₁Sb, für ln,Gai ,As substituiert werden.

Ks ist leicht möglich, einen optischen Resonator mit hohem Gütefaktor Q bei den beiden Ausführungsformen der Erfindung, welche ausschließlich den Eingrenzungseffekt benutzen und welche energetisch niedrige Zustände einschließen, im Vergleich zu üblichen Laser-Dioden zu realisieren. Denn die Verwendung aneinander angrenzender Materialien mit schmalerem und breiterem Bandabstand, die deshalb unterschiedliche Breehungsindi/es haben, liefert eine Grenzfläche am tletcroühergang. die durch Totalrcficktion den .Strahlungsverlust in das Material mit dem breiteren Bandabstand verhindert. Zusatzlich reduziert die Verwendung des Materials mit dem breiteren Bandabstand die Absorption stimulierter Strahlung, weil die Strahlung im Bereich mit dem schmaleren Bandabstand oder im Zwischcnbereich auftritt. Daher ist die der Strahlung zugeordnete Energie kleiner als der Bandabstand auf der Seite des breiten Bundabstands und kann deshalb nicht sonderlich wirksam absorbiert werden. Es kann speziell wünschenswert sein, einen solchen Resonator mit einem hohen Gütefaktor Q zu verwenden, wenn energetisch niedrige Zustände zur Anwendung gelangen, und zwar insoweit als die Dichte der zur stimulierten Emission beitragenden Zustände etwas kleiner ist als in der grundsätzlichen Anordnung, bei welcher nur der Eingrenzungseffekt zur Anwendung gelangt. Um einen optischen Resonator mit einem hohen Gütefaktor Q zu erhalten, sollte der Reflexionsverlust an den Resonatorspiegeln reduziert werden. Eine hochreflektiercnde Beschichtung auf den Spiegeloberflächen oder eine total reflektierende Betrieosart bei einem vierseitigen Spiegelresonator kann . " diesem Zweck benutzt werden. Eine solche Anordnung mit hohem Gütefaktor Q reduziert die Schwellenwertstromdiehte und daher die Eingangsleistung, also einen der Faktoren, die die Betriebstemperatur begrenzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Heterostruktur-Halbleiterlaserdiode mit mehrschichtigem Aufbau einschließlich eines HeteroÜberganges gemeinsamen Leitungstyps, der durch einen Mischkristallkörper aus unterschiedlichen IM-V-Verbindungen mit unterschiedlichen effektiven Energiebandabständen auf den beiden Seiten des HeteroÜberganges gebildet ist, wobei der PN-Übergang der Laserdiode unterschiedliche effektive Energiebandabstände auf seinen beiden Seiten besitzt und, mit dem Material des schmaleren Energiebandabstandes an den HeteroÜbergang angrenzend, auf der Seite des HeteroÜberganges mit dem Material des schmaleren Bandabstandes gelegen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

für das Halbleitermaterial des schmaleren Energiebandabstandes GaAs und für das Halbleitermaterial des breitei in Energiebandabstandes ein P-leitender ΛΙΐ-Gai -.,-As-Mischkristal! vorgesehen sind,
der PN-Übergang (25) zum HeteroÜbergang (23) einen Abstand (24) kleiner als die bei Umgebungstemperatur vorhandene Diffusionsweglänge der Minoritätsladungsträger aufweist, die vom PN-Übergang bei Vorspannung in Durchlaßrichtung zum HeteroÜbergang hin injiziert werden, und
der Energiebandabstandsunterschied am HeteroÜbergang so bemessen ist, daß er eine zur Herabsetzung der Schwellenwertstromdichte führende Eing/enzung der injizierten Minoritätsladungsträger bewirkt.

2. Laservliode nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß energetisch niedrige Störstellen- oder Bandkantcnverbiegungszustäni-j in der Nähe des Valenzbandes in dem Zwischcnbercich zwischen PN-Übergang und HeteroÜbergang vorhanden sind.

3. Laserdiode nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß energetisch niedrige Störstellen- oder Bandkanienverbiegungs7ustände im Bereich des schmaleren Energieabstandes vorhanden sind.

4. Laserdiode nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß energetisch niedrige Bandkantenverbiegunpszuständc in der Nähe des Leitungsbandes zusätzlich zu energetisch niedrigen Störstellenzuständen in der Nähe des Valenzbandes vorgesehen sind.

5. Laserdiode nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Zink-Bandkantenverbiegungs-Akzeptorzuständc mehr als einige kT oberhalb des Valenzbandes auf der N-Seitc des PN-Überganges vorhanden sind.

6. Laserdiode nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Störstellen-Akzeptorzustände um mehr als einige kT oberhalb des Valenzbandes wenigstens auf der N-Scite des PN-Überganges vorhanden sind.