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Abstract

Halbleiterlaser-Bauelement, mindestens aufweisend auf einem Substrat eine aktive Schicht und je zwei innere und zwei äußere Begrenzungsschichten, wobei die aktive Schicht zwischen den beiden inneren Begrenzungsschichten und je eine der äußeren Begrenzungsschichten benachbart zu je einer der inneren Begrenzungsschichten angeordnet ist, eine der inneren Begrenzungsschichten mit einem Brechungsindex ni1 und einem Bandabstand Ei1 p-leitend und die andere mit einem Brechungsindex ni2 und einem Bandabstand Ei2 n-leitend ausgebildet ist und die äußeren Begrenzungsschichten denselben Leitungstyp aufweisen wie die inneren Begrenzungsschichten, zu denen sie benachbart angeordnet sind, und beide äußere Begrenzungsschichten den gleichen Brechungsindex na aufweisen und na < ni1, ni2 ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden inneren Begrenzungsschichten (5, 7) aus zwei in ihrer Zusammensetzung unterschiedlich ausgebildeten einkristallinen homogenen III-V-Halbleiterverbindungen gebildet sind, deren Bandabstände (Ei1, Ei2) kleiner als die (Ea) der äußeren Begrenzungsschichten (4, 8) und deren energetische Lagen der Leitungs- und Valenzbandkanten derart angeordnet sind, daß die Valenzbandkante der n-leitenden...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterlaser-Bauelement, mindestens aufweisend auf einem Substrat eine aktive Schicht und je zwei innere und zwei äußere Begrenzungsschichten, wobei die aktive Schicht zwischen den beiden inneren Begrenzungsschichten und je eine der äußeren Begrenzungsschichten benachbart zu je einer der inneren Begrenzungsschichten angeordnet ist, eine der inneren Begrenzungsschichten mit einem Brechungsindex ni1 und einem Bandabstand Ei1 p-leitend und die andere mit einem Brechungsindex ni2 und einem Bandabstand Ei2 n-leitend ausgebildet ist und die äußeren Begrenzungsschichten denselben Leitungstyp aufweisen wie die inneren Begrenzungsschichten, zu denen sie benachbart angeordnet sind, und beide äußere Begrenzungsschichten den gleichen Brechnungsindex na aufweisen und na < ni1, ni2 ist.
  • Ein solches Halbleiter-Bauelement ist in US 5,331,655 beschrieben. Mit diesem Bauelement soll eine Entkopplung der optischen und elektrischen Einschlüsse und eine Reduzierung der Leckströme aus der aktiven Schicht heraus erreicht werden. Hierzu werden zusätzliche, die aktive Schicht begrenzende Schichten mit definierten Bandabständen eingebracht. Die Bandabstände dieser zusätzlichen Schichten werden größer als die der umgebenden inneren Begrenzungsschichten gewählt. Sind die Bandabstände der zusätzlichen Schichten unterschiedlich groß, wird eine Schichtstruktur gebildet, die einen unsymmetrischen Verlauf der Bandabstände und der Brechungsindizes aufweist. Zwar werden durch die beschriebene Lösung die Leckströme reduziert, jedoch wird gleichzeitig die Injektion der Majoritätsladungsträger in die aktive Schicht behindert. Ebenfalls kann durch die zusätzlichen Grenzflächen ein zusätzlicher elektrischer Spannungsabfall entstehen sowie zusätzliche nichtstrahlende Rekombination von Elektronen und Löchern induziert werden. Dadurch ist die Verringerung der Schwellenstromdichte und deren Temperaturabhängigkeit für eine effektive Wirkungsweise des Halbleiter-Bauelements zu gering.
  • Zwar soll mit der in EP 0 610 893 A2 beschriebenen Schichtstruktur einer Laserdiode die Rekombination von Elektronen und Löchern in einer im blaugrünen Spektralbereich emittierenden Laserdiode mit gitterangepassten Schichten aus II-VI-Halbleitermaterialien gewährleistet werden, jedoch treffen auch auf diese Lösung wegen der Vielzahl der angeordneten Halbleiterschichten die bereits oben erwähnten Nachteile zu, die letztendlich zu einer unerwünschten Erhöhung der nichtstrahlenden Rekombination von Elektronen und Löchern führen. Der Schichtaufbau dieser Laserdiode bewirkt wegen der unterschiedlichen Materialien und der unterschiedlichen Brechungsindizes eine asymmetrische Wellenführung, die als ungünstig bezüglich des Schwellenstromes im Vergleich zu einer symmetrischen Wellenführung anzusehen ist.
  • Für das in JP 05-110193 A beschriebene Halbleiterlaser-Bauelement, das auf jeder Seite einer aktiven Schicht zwei Halbleiterschichten gleichen Leitungstyps aufweist, werden als Parameter zur Einstellung eines verringerten Rekombinationsstromes Unterschiede in den Lagen der Valenz- und Leitungsbandkanten der benachbarten Schichten eines Leitungstyps zu denen des anderen Leitungstyps genannt. Informationen über den Verlauf der Brechungsindizes der Halbleiterschichten dieser Bauelemente-Anordnung und damit der Wellenführung sind dieser Veröffentlichung nicht zu entnehmen.
    •
  • Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterlaser-Bauelement anzugeben, daß eine noch bessere Verringerung der Leckströme – im Vergleich zum Stand der Technik – ermöglicht, um letztendlich den Wirkungsgrad weiter zu verbessern und die Schwellenstromdichte und deren Temperaturabhängigkeit weiter zu verringern.
  • Die Aufgabe wird durch ein Halbleiterlaser-Bauelement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die beiden inneren Begrenzungsschichten aus zwei in ihrer Zusammensetzung unterschiedlich ausgebildeten einkristallinen homogenen III-V-Halbleiterverbindungen gebildet sind, deren Bandabstände kleiner als die der äußeren Begrenzungsschichten und deren energetische Lagen der Leitungs- und Valenzbandkanten derart angeordnet sind, daß die Valenzbandkante der n-leitenden inneren Begrenzungsschicht energetisch tiefer liegt als die Valenzbandkante der p-leitenden inneren Begrenzungsschicht, die Leitungsbandkante der p-leitenden inneren Begrenzungsschicht energetisch höher liegt als die Leitungsbandkante der n-leitenden inneren Begrenzungsschicht, die Leitungsbandkante der n-leitenden inneren Begrenzungsschicht energetisch tiefer liegt als die Leitungsbandkante der n-leitenden äußeren Begrenzungsschicht und die Valenzbandkante der p-leitenden inneren Begrenzungsschicht energetisch höher liegt als die Valenzbandkante der p-leitenden äußeren Begrenzungsschicht, und deren Brechungsindizes gleich sind.
  • Durch die Anordnung von inneren Begrenzungsschichten, die aus unterschiedlichem Material gebildet sind und definierte Lagen ihrer Valenz- und Leitungsbandkanten zueinander und zu den äußeren Begrenzungsschichten aufweisen, entstehen zusätzliche Potentialberge. Diese gewährleisten, daß der Anteil der Elektronen und Löcher, die nicht in der aktiven Schicht rekombinieren, sondern in die p- bzw. n-leitfähigen Begrenzungsschichten gelangen und dort zu Minoritätsladungsträgern werden, verkleinert wird, ohne die Injektion der Ladungsträger in die aktive Schicht zu behindern. Die erfindungsgemäße Lösung gibt eine in ihrem Wirkungsgrad im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Schichtstruktur an, die einen unsymmetrischen Verlauf der Lagen der Valenz- und Leitungsbandkanten aufweist.
  • Mittels der erfindungsgemäßen Lösung, in der zwei unterschiedliche Materialien für die beiden inneren Begrenzungsschichten angeordnet sind und nur die Lage der Bandkanten dieser Materialien ausschlaggebend sind, wird eine noch bessere Wirkung bei der Reduzierung der Leckströme erreicht.
  • Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt unterschiedliche Ausgestaltungen der inneren Begrenzungsschichten.
  • Die Dicke der inneren Begrenzungsschichten kann unterschiedlich oder gleich ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, die Bandabstände der beiden inneren Begrenzungsschichten unterschiedlich oder gleich auszubilden. Ausschlaggebend für die gewünschte Wirkung ist – wie bereits erwähnt – die Lage der Bandkanten.
  • In Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, daß die beiden äußeren Begrenzungsschichten aus Aly1Ga1-y1As, die n-leitende innere Begrenzungsschicht aus GaInP und die p-leitende innere Begrenzungsschicht aus Aly2Ga1-y2As gebildet sind, wobei y2 < y1 ist, und die Schichtenfolge auf einem n-leitfähigen Substrat aus GaAs angeordnet ist oder die beiden äußeren Begrenzungsschichten aus Aly1Ga1-y1As, die p-leitende innere Begrenzungsschicht aus Aly2Ga1-y2As und die n-leitende innere Begrenzungsschicht aus GaInP gebildet sind, wobei y2 < y1 ist, und die Schichtenfolge auf einem p-leitfähigen Substrat aus GaAs angeordnet ist. Diese Ausgestaltungen ermöglichen somit in Abhängigkeit der Technologie und des gewünschten Substrats eine Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung.
  • Die aktive Schicht ist aus mindestens einem Quantengraben der bekannten Materialzusammensetzungen InGaAsP; InAlGaAs; InGaAsN gebildet.
  • Die Erfindung wird in folgendem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert.
    •
  • Dabei zeigen
  • 1 schematisch die Schichtstruktur eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements;
  • 2 schematisch den Verlauf der Bandkanten der inneren und äußeren Begrenzungsschichten und der aktiven Schicht gem. 1 (ohne Berücksichtigung der Änderung durch Dotierung);
  • 3 schematisch den Verlauf der Brechungsindizes der inneren und äußeren Begrenzungsschichten und der aktiven Schicht gem. 1.
  • Das in 1 schematisch dargestellte Halbleiterlaser-Bauelement 1 weist ein Substrat 2 aus einem einkristallinen Halbleitermaterial, beispielsweise GaAs, auf. Auf diesem Substrat 2 ist eine ca. 300 nm dicke Pufferschicht 3 aus einem gleichen Material wie das Substrat 2 zur Reduzierung der Grenzflächenzustände zwischen Substrat 2 und der darauf angeordneten Schichtstruktur angeordnet. Auf der Pufferschicht 3 befindet sich eine erste äußere, 1,5 μm dicke Begrenzungsschicht 4 aus n-leitendem Si-dotiertem Al0,6Ga0,4As mit einer Ladungsträgerkonzentration von 1 × 1018 cm–3 und einem Brechungsindex na = 3,24. Darauf angeordnet ist eine erste innere 200 nm dicke Begrenzungsschicht 5 aus Ga0,5In0,5P des gleichen Leitungstyps wie die erste äußere Begrenzungsschicht 4, aber mit einer geringeren Ladungsträgerkonzentration von 2 × 1017 cm–3, einem größeren Brechungsindex (ni1 = 3,3) und einem kleineren Bandabstand (Ei1 = 1,86 eV) im Vergleich zu dieser (Ea = 1,99 eV). Diese innere Begrenzungsschicht 5 grenzt direkt an die aktive Schicht 6 zur Lichtemission, die undotiert ist und beispielsweise aus zwei oder mehreren Komponenten der Materialkombination (Al, In, Ga)(As, P, N) besteht. Die Dicke der aktiven Schicht 6 sowie deren Zusammensetzung bestimmen die Laseremissionswellenlänge. Die aktive Schicht 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus In0,3Ga0,7As0,6P0,4, das einen Bandabstand von 1,55 eV aufweist, gebildet, und hat eine Dicke von 10 nm. Eine zweite innere Begrenzungsschicht 7 aus p-leitendem, Zn-dotiertem Al0,5Ga0,5As mit einer Ladungsträgerkonzentration von 2 × 1017 cm–3 und mit einem Bandabstand Ei2 = 1,96 eV schließt die aktive Schicht 6 zur anderen Seite der Schichtstruktur hin ein. Dicke und Brechungsindex ni2 der zweiten inneren Begrenzungsschicht 7 entsprechen den Größen der ersten inneren Begrenzungsschicht 5. Als zweite äußere Begrenzungsschicht 8 ist auf der zweiten inneren Begrenzungsschicht 7 eine p-leitende Zn-dotierte Al0,6Ga0,4As-Schicht angeordnet, die gleiche Dicke, gleiche Ladungsträgerkonzentration, gleichen Brechungsindex und gleichen Bandabstand wie die erste äußere Begrenzungsschicht 4 aufweist. Die zweite äußere Begrenzungsschicht 8 ist mit einer hochdotierten 200 nm dicken p-leitenden Zn-dotierten GaAs-Kontaktierungsschicht 9 mit einer Ladungsträgerkonzentration von 2 × 1019 cm–3 bedeckt. Zur Strominjektion werden die Kontaktierungsschicht 9 und das Substrat 2 mit metallischen Kontakten 10, 11 versehen.
  • 2 zeigt den Verlauf des Leitungs- und Valenzbandes der in 1 beschriebenen Schichtstruktur. Die Leitungsbandkante 12 nimmt von der ersten äußeren n-leitenden Begrenzungsschicht 4 (für Al0,6Ga0,4As = – 0,22 eV) zur ersten inneren Begrenzungsschicht 5 (für Ga0,5In0,5P = – 0,39 eV) des gleichen Leitungstyps zur aktiven Schicht 6 hin ab. Erfindungsgemäß ist die Leitungsbandkante 12 der zweiten inneren p-leitenden Begrenzungsschicht 7 (für Al0,5Ga0,5As = –0,19 eV) höher als die Leitungsbandkante 12 der ersten inneren n-leitenden Begrenzungsschicht 5 (für Ga0,5In0,5P = –0,39 eV). Dadurch wird die Injektion von Elektronen in die p-leitenden Begrenzungsschichten 7, 8 stark reduziert.
  • Die Valenzbandkante 13 nimmt von der zweiten äußeren p-leitenden Begrenzungsschicht 8 (für Al0,6Ga0,4As = –2,21 eV) zur zweiten inneren p-leitenden Begrenzungsschicht 7 (für Al0,5Ga0,5As = –2,15 eV) zur aktiven Schicht 6 hin zu. Die Valenzbandkante 13 der ersten inneren n-leitenden Begrenzungsschicht 5 (für Ga0,5In0,5P = –2,25 eV) ist erfindungsgemäß niedriger als die Valenzbandkante 13 der zweiten inneren p-leitenden Begrenzungsschicht 7 (für Al0,5Ga0,5As = –2,15 eV), wodurch die Injektion von Löchern in die n-leitenden Begrenzungsschichten 4, 5 stark vermindert wird.
  • Nicht dargestellt ist für dieses Ausführungsbeispiel der Verlauf der Bandabstände der inneren und äußeren Begrenzungsschichten sowie der aktiven Schicht, der von der aktiven Schicht zu den äußeren Begrenzungsschichten hin auf den beiden Seiten der aktiven Schicht unterschiedlich zunimmt. Dies ist jedoch anhand der angegeben Werte für den Bandabstand nachvollziehbar. An dieser Stelle sei erwähnt, daß die energetische Lage der Valenzbandkanten berechnet wurde nach Cris Van de Walle, „Band lineups and deformation potentials in the model-solid theory", Physical Review B 39, S. 1871–1883, 1989, die energetische Lage der Leitungsbandkanten durch Addition der entsprechenden Bandabstände, z.B. nach Landolt-Börnstein, Band 22a, Herausgeber O. Madelung, Springer: Berlin 1987.
  • In 3 ist der Verlauf der Brechungsindizes der einzelnen Schichten der in 1 dargestellten Schichtstruktur gezeigt. Die Brechungsindizes 14 der beiden äußeren Begrenzungsschichten 4, 8 (na = 3,24) sind kleiner als die Brechungsindizes 14 der beiden inneren Begrenzungsschichten 5, 7, die in dem vorerwähnten Ausführungsbeispiel gleich (ni1 = ni2 = 3,3) sind, welche wiederum kleiner als der Brechungsindex 14 der aktiven Schicht 6 sind.

Claims (5)

  1. Halbleiterlaser-Bauelement, mindestens aufweisend auf einem Substrat eine aktive Schicht und je zwei innere und zwei äußere Begrenzungsschichten, wobei die aktive Schicht zwischen den beiden inneren Begrenzungsschichten und je eine der äußeren Begrenzungsschichten benachbart zu je einer der inneren Begrenzungsschichten angeordnet ist, eine der inneren Begrenzungsschichten mit einem Brechungsindex ni1 und einem Bandabstand Ei1 p-leitend und die andere mit einem Brechungsindex ni2 und einem Bandabstand Ei2 n-leitend ausgebildet ist und die äußeren Begrenzungsschichten denselben Leitungstyp aufweisen wie die inneren Begrenzungsschichten, zu denen sie benachbart angeordnet sind, und beide äußere Begrenzungsschichten den gleichen Brechungsindex na aufweisen und na < ni1, ni2 ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden inneren Begrenzungsschichten (5, 7) aus zwei in ihrer Zusammensetzung unterschiedlich ausgebildeten einkristallinen homogenen III-V-Halbleiterverbindungen gebildet sind, deren Bandabstände (Ei1, Ei2) kleiner als die (Ea) der äußeren Begrenzungsschichten (4, 8) und deren energetische Lagen der Leitungs- und Valenzbandkanten derart angeordnet sind, daß die Valenzbandkante der n-leitenden inneren Begrenzungsschicht (5) energetisch tiefer liegt als die Valenzbandkante der p-leitenden inneren Begrenzungsschicht (7), die Leitungsbandkante der p-leitenden inneren Begrenzungsschicht (7) energetisch höher liegt als die Leitungsbandkante der n-leitenden inneren Begrenzungsschicht (5), die Leitungsbandkante der n-leitenden inneren Begrenzungsschicht (5) energetisch tiefer liegt als die Leitungsbandkante der n-leitenden äußeren Begrenzungsschicht (4) und die Valenzbandkante der p-leitenden inneren Begrenzungsschicht (7) energetisch höher liegt als die Valenzbandkante der p-leitenden äußeren Begrenzungsschicht (8), und deren Brechungsindizes gleich sind ni1 = ni2.
  2. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Begrenzungsschichten (4, 8) aus Aly1Ga1-y1As, die n-leitende innere Begrenzungsschicht (5) aus GaInP und die p-leitende innere Begrenzungsschicht (7) aus Aly2Ga1-y2As gebildet sind, wobei y2 < y1 ist, und die Schichtenfolge auf einem n-leitfähigen Substrat (2) aus GaAs angeordnet ist.
  3. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Begrenzungsschichten (4, 8) aus Aly1Ga1-y1As, die p-leitende innere Begrenzungsschicht (7) aus Aly2Ga1-y2As und die n-leitende innere Begrenzungsschicht (5) aus GaInP gebildet sind, wobei y2 < y1 ist, und die Schichtenfolge auf einem p-leitfähigen Substrat (2) aus GaAs angeordnet ist.
  4. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandabstände der beiden inneren Begrenzungsschichten (5, 7) gleich sind Ei1 = Ei2.
  5. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken der beiden inneren Begrenzungsschichten (5, 7) gleich sind.
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