DE2042517A1

DE2042517A1 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE2042517A1
Application number: DE19702042517
Authority: DE
Inventors: der Anmelder M ist
Original assignee: PILKUHN M
Current assignee: PILKUHN M
Priority date: 1970-08-27
Filing date: 1970-08-27
Publication date: 1972-03-02
Also published as: GB1313258A; FR2103571A1; FR2103571B1

Description

Heilbronn, den 18. 8. 1970 La/nae - HN 70/51

"Halbleiterlaser"

Ein Halbleiterlaser besteht bekanntlich wie eine Halbleiterdiode gemäß der Figur 1 aus einem Halbleiterkristall 1, der durch entsprechende Dotierung eine n-Zone 2 und eine p-Zone 3 aufweist. Zwischen der stark dotierten n-Zone 2 und der stark dotierten p-Zone 3 befindet sich ein Übergangsbereich 4, der das optisch aktive Gebiet des Halbleiterlasers darstellt. Die beiden Stirnflächen 5 und 6 des Halbleiterkristalls 1 sind planparallele Spaltflächen des Kristalls, die wegen des hohen Brechungsindex des Halbleitermaterials als planparallele Spiegel eines optischen Resonators wirken.

Legt man an den Halbleiterlaser der Figur 1 und damit an dessen pn-übergang eine Spannung in Durchlaßrichtung an, indem der negative Pol der Spannungsquelle mit der n-Zone und der positive Pol der Spannungsquelle mit der p-Zone 3 verbunden werden, so werden aus der n-Zone 2 Löcher in

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den optisch aktiven Bereich 4 injiziert, die in diesem
Bereich unter Aussendung von .Lichtquanten rekombinieren. Die Wellenlänge des emittierten Lichtes hängt näherungsweise vom Bandabstand E des Halbleitermaterials ab. Das dazugehörige Bändermodell zeigt die Figur 2, in der E
die Valenzbandkante, E die Leitungsbandkante, E- das
} Quasiferminiveau für Löcher, E das Quasiferminiveau

für Elektronen und die Ziffern 4, 5 und 6 die entsprechenden Bereiche des Halbleiterlasers der Figur 1 bedeuten.

Ist der optisch aktive Bereich 4 mit genügend Ladungsträgern angefüllt, so kommt es zu einer stimulierten
Emission im Felde einer Lichtwelle innerhalb des genannten optischen Resonators. Dabei durchläuft die Welle einen geschlossenen Weg entsprechend dem in der Figur 1 mit den
k Buchstaben A-B-C-A gekennzeichneten Weg. Der eigentliche Laserbetrieb setzt ein, wenn die Verstärkung des Lichtes durch stimulierte Emission die Verluste durch Absorption und Transmission an den Spaltflächen überwiegt. Danach
müssen die Schwellverstärkung und damit die Schwellstromdichte, bei denen der Laserbetrieb einsetzt, umso größer sein, je größer die Verluste sind.

Weiterhin ist es bekannt, daß eine möglichst geringe Ab-

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sorption eine möglichst weitgehende Unterdrückung desjenigen Teils der Welle erfordert, der in die optische inaktiven Halbleiterzonen 2 und 3 eindringt. Eine Reduzierung der Eindringverluste wird bekanntlich dadurch erreicht, daß für die Halbleiterzonen 2 und 3 Halbleitermaterialien verwendet werden, die einen größeren Bandabstand E als das Halbleitermaterial des optisch aktiven Bereichs 4 haben. Durch die Verwendung von Halbleitermaterialien mit verschiedenem Bandabstand entsteht nämlich an den Grenzen zwischen den Halbleiterzonen 2 und 3 mit dem optisch aktiven Bereich 4 ein Sprung im Brechungsindex, der nur einen geringen Teil der Welle in die optisch inaktiven Halbleiterzonen 2 und 3 gelangen läßt. Aber selbst derjenige Teil der Welle, der trotz vorhandenem Sprung des Brechungsindex überhaupt noch in die Halbleiterzonen 2 und 3 gelangt, wird in diesen Zonen wegen des dort vorhandenen größeren Bandabstandes praktisch überhaupt nicht mehr absorbiert. Wie dem Bändermodell der Figur 3 zu entnehmen ist, das für einen Halbleiterlaser mit Halbleitermaterialien verschiedenen Bandabstands gilt, finden die Ladungsträger des optisch aktiven Bereichs 4 jeweils eine Potentialbarriere vor, durch die der optisch aktive Bereich auf eine optimale Dicke begrenzt werden kann.

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Bei einem Halbleiterlaser, der aus Halbleiterzonen mit verschiedenem Bandabstand besteht, sind sogenannte einseitige und zweiseitige HeteroStrukturen möglich. Bei einer einseitigen HeteroStruktur grenzt ein Halbleitermaterial mit größerem Bandabstand an ein Halbleitermaterial mit kleinerem Bandabstand, während bei einer " zweiseitigen HeteroStruktur an ein in der Mitte befindliches Halbleitermaterial mit geringerem Bandabstand zu beiden Seiten Halbleitermaterialien mit größerem Bandabstand angrenzen. Als Materialien mit größerem Bandabstand werden beispielsweise Mischkristalle wie z.B. GaAs-AlAs verwendet, während das Material des optisch aktiven Bereichs mit dem geringeren Bandabstand beispielsweise aus Ga As oder aus Mischkristallen geringen Aluminiumgehalts besteht.

Die bekannten Halbleiterlaser mit einer zweiseitigen Heterostruktur haben jedoch den Nachteil, daß sie einen kontinuierlichen Laserbetrieb bei Zimmertemperatur wegen der geringen Wärmeableitung nur mit Schwierigkeiten gewährleisten. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterlaser mit einer zweiseitigen HeteroStruktur anzugeben, der diesen Nachteil nicht aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung

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vorgeschlagen, daß die beiden äußeren Halbleiterzonen aus einer binären III-V-Verbindung und die mittlere Halbleiterzone aus einem Mischkristall einer für die äußeren Halbleiterzonen vorgesehenen binären III-V-Verbindung mit einer III-V-Verbindung kleineren Bandabstandes bestehen. Das Halbleitermaterial für die äußeren Halbleiterzonen ist dabei derart gewählt, daß diese Halbleiterzonen die beim Laserbetrieb entstehende Wärme möglichst gut nach außen abführen. Die Halbleiterzonen des Halbleiterlasers nach der Erfindung sind derart mit Störstellen versetzt, daß sich zwei Bereiche mit unterschiedlichem Leitungstyp und einem dazwischenliegenden pn-übergang ergeben.

Durch entsprechende Wahl der Zusammensetzung des Mischkristalls für die mittlere Halbleiterzone kann der Bandabstand des Mischkristalls jeweils so reduziert werden, daß auch bei den Halbleiterlasern nach der Erfindung die für einen entsprechenden Sprung des Brechungsindex erforderliche Bedingung erfüllt ist, daß der Bandabstand der äußeren Halbleiterzonen größer als der Bandabstand der mittleren Halbleiterzone ist. Voraussetzung dafür ist, daß die eine III-V-Verbindung des Mischkristalls einen wesentlich kleineren Bandabstand hat als die andere III-V-Verbindung des Mischkristalls.

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Während das Problem der Wärmeableitung bei den bekannten Halbleiterlasern durch eine extreme Kühlung oder durch
Anlegen kurzer Stromimpulse zum Ableiten der Wärme während der relativ langen Impulspausen gelöst werden mußte, kann auf solche Maßnahmen bei einem Halbleiterlaser nach
der Erfindung verzichtet werden, da de äußeren Halbleiter- | zonen trotz Einhaltung der Bandabstandsbedingung und

damit der Beibehaltung von nur geringen Absorptionsverlusten für eine gute Wärmeableitung sorgen, so daß im
Gegensatz zu den bekannten Anordnungen ein verbesserter kontinuierlicher Laserbetrieb bei normaler Zimmertemperatur möglich ist. Diese Voraussetzung muß beispielsweise bei
Verwendung des Halbleiterlasers als Sender eines Nachrichtenübertragungssystems erfüllt sein.

Bei Verwendung von binären III-V-Verbindungen als Halbleitermaterial für die äußeren Halbleiterzonen eines Halbleiterlasers gemäß der Erfindung ist aber nüit nur eine gute Wärmeableitung durch die äußeren Halbleiterzonen gewährleistet, sondern es wird auch eine unnötige Erwärmung der äußeren Halbleiterzonen durch ohmsche Verluste verhindert, da binäre III-V-Verbindungen die dazu erforderliche gute elektrische Leitfähigkeit haben. Schließlich lassen sich an binären III-V-Verbin dingen auch leichter

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elektrische Kontakte anbringen als an tertiären Mischkristallen, so daß auch dieser Gesichtspunkt zur Reduzierung der ohmschen Verluste beiträgt.

F.in Halbleiterlaser nach der Erfindung ist in der Figur dargestellt. Nach der Figur 4 besteht ein solcher Halbleiterlaser aus einem Halbleiterkörper 1 mit den zwei äußeren Walbleiterzonen 2 und 3 und der mittleren Halbleiterzone 4, die den optisch aktiven Bereich des Halbleiterlasers bildet. Die beiden äußeren Halbleiterzonen und 3 bestehen aus einem Halbleitermaterial, dessen Bandabstand größer ist als der der mittleren Halbleiterzone

Als Material für die äußeren Halbleiterzonen eignet sich nach der Erfindung beispielsweise GaAs, während der Mischkristall für die mittlere Halbleiterzone beispielsweise «au? GaAs-InAs oder GaAs-GaSb besteht. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen die äußeren Halbleiterzonen beispielsweise aus GaSb und der Mischkristall für die mittlere Halbleiterzone aus GaSb-InSb. Die äußeren Halbleiterzonen können beispielsweise auch aus InP bestehen, wobei sich als Mischkristall für die mittlere Halbleiterzone z.B. InP-InAs oder InP-InSb eignen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, als Halbleiter-

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material für die äußeren Halbleiterzonen z.B. InAs zu verwenden, während die mittlere Halbleiterzone in diesem Fall z.B. aus InAs-InSb hergestellt wird.

Gemäß der Erfindung kann die eine der beiden äußeren Halbleiterzonen des Halbleiterlasers auch aus einer anderen III-V-Verbindung bestehen als die andere der beiden äußeren Halbleiterzonen, da es im Prinzip nur darauf ankommt, daß die äußeren Halbleiterzonen aus einer III-V-Verbindung und nicht wie bei den bekannten Halbleiterlasern aus einem Mischkristall bestehen. Auch dabei ist darauf zu achten, daß die beiden äußeren Halbleiterzonen einen Bandabstand haben, der größer ist als der Bandabstand des Materials der mittleren Halbleiterzone.

Der Halbleiterlaser der Figur 4 ist so dotiert, daß in dem Halbleiterkristall 1 zwei Halbleiterbereiche vom entgegengesetzten Leitungstyp entstehen, beispielsweise Bereich 2 η-Typ und Bereich 3 p-Typ. Die "aktive Zone" (Bereich 4), hergestellt aus dem ternären Mischkristall kleinen Bandabstands, sollte sehr schwach p-dotiert sein, so daß der pn-übergang zwischen Bereich 2 und Bereich 4 liegt.

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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird der Halbleiterlaser epitaktisch hergestellt, wobei das Substrat für die epitaktisch abzuscheidende Schicht als Halbleitermaterial für eine der beiden äußeren Halbleiterzonen verwendet wird.

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Claims

Patentansprüche

Dy Halbleiterlaser mit zwei äußeren Halbleiterzonen und einer dazwischenliegenden mittleren Halbleiterzone, bei dem das Halbleitermaterial der äußeren Halbleiterzonen einen größeren Bandabstand aufweist als das Halbleitermaterial der mittleren Halbleiterzone, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Halbleiterzonen aus einer binären III-V-Verbindung und die mittlere Halbleiterzone aus einem ternären Mischkristall einer für die äußeren Halbleiterzonen vorgesehenen binären III-V-Verbindung mit einer III-V-Verbindung kleineren Bandabstands bestehen.
2) Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterzonen derart mit Störstellen versetzt

Ψ sind, daß sich zwei Bereiche mit unterschiedlichem Leitungstyp und dazwischenliegenden pn-übergang ergeben.
3) Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial für die äußeren Halbleiterzonen derart gewählt ist, daß diese Halbleiterzonen die beim Laserbetrieb entstehende Wärme möglichst gut nach außen abführen.

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4) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die binäre III-V-Verbindung für die äußeren Halbleiterzonen aus GaAs und der Mischkristall für die mittlere Halbleiterzone aus GaAs-InAs oder GaAs-GaSb bestehen.
5) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die binäre III-V-Verbindung für die äußeren Halbleiterzonen aus GaSb und der Mischkristall für die mittlere Halbleiterzone aus GaSb-InSb bestehen.
6) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die binäre III-V-Verbindung für die äußeren Halbleiterzonen aus InP und der Mischkristall für die mittlere Halbleiterzone aus InP-InAs oder InP-InSb bestehen.
7) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die binäre III-V-Verbindung für die äußeren Halbleiterzonen aus InAs und der Mischkristall für die mittlere Halbleiterzone aus InAs-InSb bestehen.
8) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da-

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durch gekennzeichnet, daß die eine der beiden äußeren Halbleiterzonen aus einer anderen III-V-Verbindung besteht als die andere der bedxfen äußeren Halbleiterzonen.
9) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer epitakti-" sehen Struktur mit einem Substrat und einer darauf befindlichen epitaktischen Schicht das Substrat gleichzeitig als Material für eine der beiden äußeren Halbleiterzonen dient.

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