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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
lichtemittierenden Halbleitervorrichtung.
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In einer lichtemittierenden Diode mit hoher
Ansprechgeschwindigkeit des Doppelheterostrukturtyps von In1-xGAxAs1-yPy/InP,
war es in der Praxis üblich, eine aktive p-In1-xGAxAs1-yPy
Schicht mit Zn, einer Verunreinigung des p-Typs mit einer
hohen Dichte von 3-10·10¹&sup8; cm&supmin;³ zu dotieren und diese aktive
Schicht epitaxisch auf einer InP-Mantelschicht des n-Typs
wachsen zu lassen, um dadurch die Ansprechgeschwindigkeit zu
erhöhen (siehe bspw. Electronics Letters, 1983, Vol. 19 Nr.
23, S. 963-965 und The Preprints 6P-H-8 for 30th Lectures of
Federation of Applied Physics Societies, Frühjahr 1983).
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Wie Fig. 1 der Zeichnung der vorliegenden Anmeldung zeigt,
ist ein n-InP Substrat 1 mit Te mit einer Dichte von
1·10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert, eine p-InP-Mantelschicht mit Zn mit einer
Dichte von 3·10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert, und eine
p-In1-WGaWAs1-ZPZ-Kontaktschicht 6 ist mit Zn mit einer Dichte von 3·10¹&sup8; cm&supmin;³
dotiert.
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Fig. 2 zeigt das Profil der Trägerdichte der Schichten der
lichtemittierenden Diode mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau.
In Fig. 2 entsprechen die Bezugszeichen 1, 2, 4, 5 und 6
entlang der horizontalen Achse den Bezugszeichen 1, 2, 4, 5 und 6,
die die Schichten des Aufbaues in Fig. 1 bezeichnen. Da die
aktive p-In1-XGaXAs1-YPY-Schicht 4 mit Zn, einer
Verunreinigung des p-Typs, mit hoher Dichte dotiert ist, diffundiert Zn
in die n-InP Mantelschicht 2 während des epitaxischen
Wachstums, wie durch die unterbrochene Linie in Fig. 2 gezeigt,
um einen Anteil der n-InP Mantelschicht 2 zu p-InP zu machen.
Aus diesem Grund wird ein Fernübergang hergestellt, bei dem
der p-n Übergang von der Grenzfläche zwischen der aktiven
p-In1XGaxAs1-YPY-Schicht 4 und der n-InP-Mantelschicht 2 in
die n-InP-Mantelschicht 2 verlagert wird.
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Fig. 3 zeigt das Energiebandprofil der in Fig. 2 gezeigten
Schichten. In Fig. 3 bezeichnet Bezugszeichen 1, 2, 4, 5 und 6
entlang der horizontalen Achse jeweils die entsprechenden
Bezugszeichen 1, 2, 4, 5 und 6, die die Schichten in Fig. 1 und
2 bezeichnen. Wenn, wie in Fig. 3 gezeigt, der Übergang in
die n-InP-Mantelschicht 2 verschoben wird, fließt ein Teil
der Träger aus der aktiven p-In1-XGAXAs1-YPY-Schicht 4, die
den lichtemittierenden Bereich bildet, in die
n-InP-Mantelschicht, um dadurch die abgegebene Leistung der Lichtemission
zu verringern.
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Da des weiteren der Fernübergang den Trägereinschluß
unvollständig macht, ist eine Verringerung der
Ansprechgeschwindigkeit unvermeidbar, auch wenn die Verunreinigung des p-Typs,
Zn, mit hoher Dichte dotiert wird.
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Zur Vermeidung des Fernüberganges wird herkömmlicherweise
sequentiell die n-InP-Schicht 2 auf dem n-InP-Substrat 1, die
undotierte aktive In1-XGaXAs1-YPY-Schicht 3 auf der
n-InP-Schicht 2, eine p-InP-Mantelschicht 5', die mit Zn mit hoher
Dichte dotiert ist, auf der aktiven Schicht 3 und die
p-In1-WGaWAs1-ZPZ-Kontaktschicht 6 auf der p-InP-Mantelschicht 5'
vorgesehen.
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Fig. 4 zeigt das Profil der Trägerdichte einer
lichtemittierenden Diode mit nach vorstehender Beschreibung
aufeinanderfolgend angeordneten Schichten. Wie durch eine unterbrochene
Linie in Fig. 4 dargestellt, ist in der aktiven Schicht 3
durch Diffundieren von Zn von der p-InP-Mantelschicht 5' in
die aktive In1-XGaXAs1-YPY-Schicht 3 während des
Kristallwachstums
ein p-n Übergang ausgebildet. In der nach
vorstehend beschriebenem Verfahren hergestellten
lichtemittierenden Vorrichtung ist jedoch, wie durch die Kurve (b) in
Fig. 5 dargestellt, die Halbwertsbreite des
Lichtemissionsspektrums erweitert. Der Grund dafür liegt darin, daß nach
dem vorstehend beschriebenen Verfahren Zn im wesentlichen
über den gesamten Bereich der aktiven In1-XGaXAs1-YPY-Schicht
3 diffundiert wird, was den Kristall der aktiven In1-XGaXAs1-YPY-Schicht
verzerrt, oder, auch in dem Fall, in dem Zn nicht
über den gesamten Bereich diffundiert wird, wird der p-n
Übergang etwa in der Mitte der aktiven
In1-XGaXAs1-YPY-Schicht 3 ausgebildet.
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Die nach vorstehend beschriebenem Verfahren hergestellte
lichtemittierende Vorrichtung ist trotz ihrer hohen
Ansprechgeschwindigkeit aufgrund der großen Halbwertsbreite ihres
Lichtemissionsspektrums nicht für die
Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung durch optische Fasern geeignet. D.h., daß
die maximale Datenübertragungsstrecke durch optische Fasern
von der Halbwertsbreite des Lichtemissionsspektrums der
lichtemittierenden Vorrichtung, wie in Fig. 6 dargestellt,
abhängig ist. In einem Fall, in dem die Halbwertsbreite 160 nm
beträgt, wie durch Kurve (b) in Fig. 5 dargestellt, ist
eine Datenübertragung über eine Distanz von 0,8 km oder mehr
praktisch unmöglich, wie durch eine unterbrochene Linie in
Fig. 6 dargestellt. Eine herkömmliche lichtemittierende
Vorrichtung, die, wie vorstehend beschrieben, durch Zn-Diffusion
hergestellt wurde, hat einen weiteren Nachteil darin, daß
eine ungleichmäßige Zn-Diffusion in die aktive In1-XGaXAs1-YPY-Schicht
3 im Produktionsverlauf Variationen der
Eigenschaften der Vorrichtung verursacht.
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Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung
vorgeschlagen, umfassend das Vorsehen einer n-InP-Mantelschicht,
das Ausbilden einer aktiven, undotierten
In1-XGaXAs1-YPY-Schicht
auf der n-InP-Mantelschicht, und das Ausbilden einer
aktiven p-In1-XGaXAs1-YPY-Schicht auf der undotierten aktiven
In1-XGaXAs1-YPY-Schicht, wobei die Diffusion von
Dotierungsstoffen aus der aktiven p-In1-XGaXAs1-YPY-Schicht in die
zuvor undotierte aktive In1-XGaXAs1-YPY-Schicht einen
p-n-Übergang in der aktiven Schicht unmittelbar an der
Grenzfläche zwischen der n-InP-Schicht und der aktiven
In1-XGaXAs1-YPY-Schicht bildet.
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Die vorliegende Erfindung zeigt ein Verfahren zur Herstellung
einer lichtemittierenden Halbleitervorrichtung auf, die eine
erhöht Ansprechgeschwindigkeit und eine verstärkte
Lichtemissionsleistung hat. Es kann zur Bildung einer
lichtemittierenden Halbleitervorrichtung mit einer verengten
Halbwertsbreite des Lichtemissionsspektrums verwendet werden.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung führt zu einer
Struktur, mit der die Schwierigkeiten von herkömmlichen
lichtemittierenden Vorrichtungen gelöst werden, d. h. der
Fernübergang, in dem die Position des p-n-Überganges
innerhalb der n-InP-Mantelschicht ausgebildet ist. Demgemäß weist
die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
lichtemittierende Vorrichtung wichtige Eigenschaften auf, wie
etwa eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und
Lichtemissionsleistung und eine kleine Halbwertsbreite des
Lichtemissionsspektrums, und kann als lichtemittierende
Halbleitervorrichtung verwendet werden, die zur
Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung durch optische Fasern geeignet ist.
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Da des weiteren die Position des p-n-Überganges problemlos
auf der Grenzfläche oder in deren Umgebung zwischen der
n-InP-Mantelschicht und der undotierten aktiven In1-XGaXAs1-YPY-Schicht
ausgebildet ist, kann während des Wachstums des
Kristalles problemlos eine Steuerung durchgeführt werden und
die Ertragsrate und die Zuverlässigkeit der Vorrichtung kann
stark erhöht werden.
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Die Erfindung wird aus der nachfolgenden Beschreibung in
Verbindung mit den beiliegenden Figuren leichter
verständlich, wobei:
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Fig. 1 eine Schnittdarstellung des Aufbaues einer
herkömmlichen lichtemittierenden
Halbleitervorrichtung ist;
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Fig. 2 eine Darstellung des Profils der Trägerdichte der
Schichten der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung
und der Übergangsposition derselben zeigt;
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Fig. 3 eine Darstellung des Bandprofils der Schichten
der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung darstellt;
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Fig. 4 eine Darstellung des Profils der Trägerdichte der
Schichten einer weiteren herkömmlichen
lichtemittierenden Halbleitervorrichtung und die
Übergangsposition derselben zeigt;
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Fig. 5 ein Diagramm der Eigenschaften des
Lichtemissionsspektrums ist;
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Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung
zwischen der maximalen Übertragungsdistanz und
der Halbwertsbreite des Lichtemissionsspektrums
während einer Hochgeschwindigkeitsmodulation
zeigt;
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Fig. 7 eine Schnittdarstellung des Aufbaues einer
Vorrichtung, die gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung gebildet ist, zeigt;
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Fig. 8 eine Darstellung des Profils der Trägerdichte der
Schichten der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung
und die Übergangsposition derselben darstellt;
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Fig. 9 ein Diagramm der
Lichtemissionsleistungseigenschaften bezüglich des Stromes für die
lichtemittierende Halbleitervorrichtung zeigt;
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Fig. 10 ein Diagramm der Ansprechfrequenzeigenschaften
bezüglich des Stromes der lichtemittierenden
Halbleitervorrichtung darstellt;
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Fig. 11A eine graphische Darstellung der Beziehung
zwischen der Diffusionstiefe eines
Dotierungsstoffes innerhalb der undotierten aktiven
In1-XGaXAs1-YPY-Schicht während des Kristallwachstums
und die Trägerdichte in dem Fall, in dem Zn als
Dotierungsstoff des p-Typs verwendet wird,
darstellt; und
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Fig. 11B eine graphische Darstellung der Diffusionstiefe
eines Dotierungsstoffes innerhalb der undotierten
aktiven In1-XGaXAs1-YPY-Schicht während des
Kristallwachstums und der Trägerdichte in dem
Fall, in dem Cd, Mg und Be als Dotierungsstoff
des p-Typs jeweils verwendet werden, darstellt.
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Unter Bezugnahme auf die Figuren wird eine bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail erläutert.
Fig. 7 zeigt einen Aufbau einer lichtemittierenden
Halbleitervorrichtung gemäß vorliegender Erfindung, wobei
Bezugszeichen 1 ein n-InP Substrat bezeichnet, das mit Te in einer
Dichte von 1·10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist. Auf dem n-InP Substrat 1
ist eine n-InP-Mantelschicht ausgebildet, die mit Te in einer
Dichte von 1·10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist und mit einer Stärke von
5 um durch epitaxiales Wachstum ausgebildet ist. Auf der
n-InP-Mantelschicht 2 ist eine undotierte aktive In1-XGaXAs1-YPY
Schicht 3 in der Stärke von 0,5 um durch epitaxiales
Wachstum ausgebildet. Auf der aktiven In1-XGaXAs1-YPY-Schicht
3 ist eine aktive p-In1-XGaXAs1-YPY-Schicht 4 ausgebildet,
die mit Zn in einer Dichte von 5·10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist und
durch epitaxiales Wachstum in der Stärke von 1 um ausgebildet
ist. Auf der aktiven p-In1-XGaXAs1-YPY-Schicht 4 ist eine
p-InP-Mantelschicht 5 ausgebildet, die mit Zn in einer Dichte
von 3·10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert ist und durch epitaxiales Wachstum
in der Stärke von 1 um ausgebildet ist. Auf der
p-InP-Mantelschicht 5 ist eine p-In1-WGaWAs1-ZPZ-Kontaktschicht 6
ausgebildet, die mit Zn in einer Dichte von 3·10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert
ist und durch epitaxiales Wachstum in der Stärke von 1 um
ausgebildet ist. Auf diese Weise werden diese Schichten 2, 3, 4, 5
und 6 aufeinanderfolgend durch epitaxiales Wachstum
ausgebildet.
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Wenn, wie vorstehend beschrieben, die aktive, undotierte
In1-XGaXAs11-YPY-Schicht 3 epitaxial in der Stärke von 0,5 um
aufwächst und anschließend die Zn-dotierte aktive p-In1-XGaXAs1-YPY-Schicht
4 und p-InP-Mantelschicht 5 aufeinanderfolgend
epitaxial aufwachsen, wird Zn in der Zn-dotierten aktiven
p-In1-XGaXAs1-YPY Schicht 4 in der Stärke von 0,5 um in die
undotierte aktive In1-XGaXAs1-YPY-Schicht 3 diffundiert.
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Fig. 8 zeigt das Profil der Trägerdichte der Schichten der
in Fig. 7 dargestellten lichtemittierenden
Halbleitervorrichtung, in der Zn aus der aktiven p-In1-XGaXAs1-YPY-Schicht
4, wie durch die unterbrochene Linie dargestellt, diffundiert
ist und ein p-n Übergang in der Umgebung der Grenzfläche
zwischen der aktiven In1-XGaXAs1-YPY-Schicht 3 und der
n-InP-Mantelschicht 2 ausgebildet ist. Durch den auf diese Weise
ausgebildeten p-n-Übergang sind die eingebrachten Träger
vollständig innerhalb der aktiven In1-XGaXAs1-YPY-Schicht 3
und 4 eingeschlossen, ohne daß sie in die n-InP Mantelschicht
2 ausfließen. Aus diesem Grund tragen alle Träger zur
Lichtemission
bei. In der Tat bietet, wie in Fig. 9 dargestellt,
die lichtemittierende Halbleitervorrichtung gemäß
vorliegender Erfindung eine beträchtlich stärkere
Lichtemissionsleistung, die durch die durchgezogene Linie dargestellt ist,
als die von der herkömmlichen lichtemittierenden
Halbleitervorrichtung erzielte (durch die unterbrochene Linie
dargestellt). Fig. 10 zeigt die Beziehung der Ansprechfrequenz zu
dem in der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung
fließenden Strom. Da alle eingebrachten Träger bei der
erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb der aktiven
In1-XGaXAs1-YPY-Schichten 3 und 4 eingeschlossen sind, ist die
Ansprechfrequenz in der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung
gemäß vorliegender Erfindung (durch die durchgezogene Linie
dargestellt) wesentlich höher als in der herkömmlichen
Vorrichtung (durch die unterbrochene Linie dargestellt), wie
Fig. 10 zeigt. Des weiteren ist die Halbwertsbreite (120 nm)
des Lichtemissionsspektrums der erfindungsgemäßen
lichtemittierenden Halbleitervorrichtung, die durch die Kurve (a)
in Fig. 5 dargestellt ist, wesentlich geringer als die
Halbwertsbreite (160 nm) des Lichtemissionsspektrums der
herkömmlichen Vorrichtung, die durch Kurve (b) in Fig. 5
dargestellt ist. Demgemäß bietet, wie aus Fig. 6 deutlich
erkennbar ist, die lichtemittierende Halbleitervorrichtung gemäß
vorliegender Erfindung eine beträchtlich erhöhte maximale
Übertragungsstrecke.
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In der vorliegenden Erfindung können das Substrat und die
darauf befindlichen Schichten andere Werte hinsichtlich der
Dicke und Trägerdichte als vorstehend unter Bezug auf die
bevorzugte Ausführungsform definiert annehmen. Beispielsweise
kann die Trägerdichte des n-InP-Substrates (1) 1·10¹&sup8;-
5·10¹&sup8; cm&supmin;³ betragen, wobei der Bandwiderstand gering ist, die
Trägerdichte der n-Inp-Mantelschicht 2 kann 1·10¹&sup8;-5·10¹&sup8; cm&supmin;³
betragen, und der Dotierungsstoff dieser beiden
Schichten kann Sn oder S oder auch Te sein. Des weiteren kann
die Stärke der n-InP-Mantelschicht (2) 2-20 um betragen, was
während des Wachstums des Kristalles problemlos steuerbar
ist.
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Während die Menge des Dotierungsstoffes der aktiven p-In1-X
GaXAs1-YPY-Schicht 4 leicht zu steuern ist, wenn die
Trägerdichte für eine hohe Ansprechgeschwindigkeit 1·10¹&sup8; cm&supmin;³
oder größer gehalten wird, wird die Steuerung bei einer
Trägerdichte von 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ oder mehr schwierig, da die
Diffusionstiefe zu groß wird. Ebenso wird auch bei einer
Trägerdichte von 1·10¹&sup9; cm&supmin;³ oder größer der Kristall
verzerrt und der Lichtemissionswirkungsgrad verringert. Daher
beträgt die bevorzugte Trägerdichte der aktiven p-In1-X
GaXAs1-YPY-Schicht 4 1·10¹&sup8;-1·10¹&sup9; cm&supmin;³. Während die
Stärke der aktiven p-In1-XGaXAs1-YPY-Schicht 4 0,1 um oder
mehr zur problemlosen Steuerung der Stärke der epitaxialen
Schicht betragen kann, ist die Stärke vorzugsweise 0,1-2 um,
da es erforderlich ist, daß die Stärke der Lage gleich
oder kleiner als die Diffusionslänge des Minoritätsträgers
ist (normalerweise in der Größenordnung von 2 um). Die aktive
p-In1-XGaXAs1-YPY-Schicht ist mit der n-InP-Mantelschicht 2
gitterangepaßt und ihr Bandenergieabstand liegt im Bereich
von 0,75 eV (bspw. X = 0,42, Y = 0,10), was der untere
Verlustbereich von Quarzfasern ist. Der Dotierungsstoff des p-Typs
der aktiven p-In1-XGaXAs1-YPY-Schicht 4 kann entweder Cd, Mg
oder Be, wie auch Zn sein. Während des Wachstums des
Kristalles wird der Dotierungsstoff des p-Typs in die
undotierte aktive In1-XGaXAs1-YPY-Schicht 3 diffundiert und die
Tiefe der Diffusion ist im wesentlichen proportional zur
Dichte des Dotierungsstoffes des p-Typs und abhängig von der
Art des Dotierungsstoffes. Fig. 11A und 11B zeigen das
Verhältnis zwischen der Tiefe der Diffusion eines
Dotierungsstoffes in die undotierte aktive In1-XGaXAs1-YPY-Schicht
während des Wachstums des Kristalles und der Trägerdichte.
Die Tiefe der Diffusion von Zn, einem Dotierungsstoff des
p-Typs, die in Fig. 11A gezeigt ist, ist um ein Mehrfaches
größer als die Tiefe der Diffusion anderer Dotierungsstoffe
des p-Typs, wie z. B. Cd, Mg und Be, wie in Fig. 11B gezeigt.
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Demgemäß ist der optimale Wert der Stärke der undotierten
aktiven In1-XGaXAs1-YPY-Schicht 3 abhängig von der Art und
Dichte des Dotierungsstoffes des p-Typs der aktiven p-In1-X
GaXAs1-YPY-Schicht 4. Demgemäß ist, unter der Annahme, daß
der Dotierungsstoff der aktiven p-In1-XGaXAs1-YPY-Schicht 4
Zn ist und die Trägerdichte der aktiven Schicht 4 P ist, der
optimale Stärkebereich der undotierten aktiven In1-XGaXAs1-Y
PY-Schicht 3, wie aus Fig. 11A ersichtlich ist, von
0,3·9/10¹&sup9; um bis 1,5·9/10¹&sup9; um, und unter der Annahme, daß
der Dotierungsstoff entweder Cd, Mg oder Be ist, beträgt der
optimale Stärkebereich, wie aus Fig. 11B ersichtlich ist, von
0,1·9/10¹&sup9; um bis 0,5·9/10¹&sup9; um, unter der Voraussetzung,
daß die Trägerdichte als die Anzahl der Träger pro cm³
definiert ist. Die Trägerdichte der undotierten aktiven In1-X
GaXAs1-YPY-Schicht 3 ist vorzugs-weise 1·10¹&sup7; cm&supmin;³ oder
niedriger, was ohne weiteres erzielbar ist und wobei die
Ertragsrate während des Wachstums des Kristalles hoch ist.
Des weiteren ist die undotierte aktive In1-XGaXAs1-YPY-
Schicht 3 mit der n-InP-Mantelschicht 2 gitterangepaßt und
ihr Bandenergieabstand ist im Bereich von 0,75 eV (bspw.
X = 0,42, Y = 0,10) bis 1,2 eV (bspw. X = 0,09, Y = 0,80) gewählt,
was der untere Verlustbereich von Quarzfaser ist.
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Die Trägerdichte der p-InP-Mantelschicht 5 wird im
wesentlichen gleich zur Trägerdichte der aktiven p-In1-XGaXAs1-YPY
Schicht 4 angenommen, d. h. im Bereich von 1·10¹&sup8;-1·10¹&sup9; cm&supmin;³
und die Stärke der p-InP-Mantelschicht 5 wird im
Bereich von 0,2 bis 2,0 um angenommen, so daß die
eingebrachten Träger in effektiver Weise innerhalb der undotierten
aktiven In1-XGaXAs1-YPY-Schicht 3 und der aktiven p-In1-X
GaXAs1-YPY-Schicht 4 eingeschlossen sind. Die Trägerdichte
der p-In1-WGaWAs1-ZPZ-Kontaktschicht 6 wird im Bereich von
1·10¹&sup8;-1·10¹&sup9; cm&supmin;³ angenommen, um so den Kontaktwiderstand
mit
dem p-seitigen Elektrodenmetall zu verringern. Die Stärke
der p-In1-WGaWAs1-ZPZ-Kontaktschicht 6 liegt vorzugsweise im
Bereich von 0,1-1,0 um.