DE3751549T2 - Halbleiterlaser. - Google Patents

Halbleiterlaser.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter- Laservorrichtung vom Quantentopftyp und insbesondere auf eine mit der Fähigkeit, daß Oszillation bei einem höheren quantalen Niveau als dem niedrigsten guantalen Niveau stattfindet.
  • In einem Halbleiterlaser ist es für die meisten Anwendungen sehr wichtig, daß der Laser bei einer so kurzen Wellenlänge wie möglich oszilliert.
  • Darüber hinaus sind Laser-Elemente, die Laserlicht bei einer Vielzahl von verschiedenen Wellenlängen emittieren, sehr nützlich in beispielsweise optischer Kommunikation, und es sind herkömmlich eine Vielzahl von Typen entwickelt worden.
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Halbleiterlaser vom Quantentopftyp des Stands der Technik zeigt, der in beispielsweise Appl. Phys. Lett. Bd. 39, S. 134 bis 137 (1981) gezeigt wird. In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein GaAs-Substrat vom n&spplus;-Typ, Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Mantelschicht vom AlzGa(1-z)As-Typ, Bezugszeichen 3 bezeichnet eine AlzGa(1-z)As-Schicht vom n- Typ mit Brechungsindexverteilung vom parabolischen Typ (z verändert sich schrittweise zu y), Bezugszeichen 4 bezeichnet eine aktive Alxga(1-x)As-Quantentopfschicht vom p-Typ, Bezugszeichen 5 bezeichnet eine AlyGa(1-y)As-Schicht vom p- Typ mit Brechungsindexverteilung vom parabolischen Typ (y verändert sich schrittweise zu z), Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Alzga(1-z)As-Hantelschicht vom p-Typ und Bezugszeichen 7 bezeichnet eine GaAs-Kontaktschicht vom P&spplus;-Typ.
  • Der Betrieb eines Halbleiter-Laserelements mit solch einer aktiven Quantentopfschicht wird nachstehend beschrieben.
  • Fig. 2 ist ein Diagramm, das das Energieniveau in der Quantentopfstruktur zeigt. Die Längsachse bezeichnet die Energie und die Querachse bezeichnet die Position senkrecht zu den Schichten. Wie in Fig. 2 gezeigt, stellt, wenn ein Quantentopf aufgebaut wird, indem man eine dünne Halbleiterschicht zwischen Halbleiter-Barrierenschichten mit einer großen Energiebandlücke setzt, diese dünne Halbleiterschicht eine Potentialtopfschicht dar, und die von dem Boden (der Spitze) des Leitungs- (Valenz-) Bands gemessene Eigenenergie En der Elektronen (Löcher), die in diesem Topf eingeschlossen sind, wird durch die folgende Schrödingergleichung (1) dargestellt, und diskrete Energieniveaus werden gebildet.
  • Hier ist me* eine effektive Elektronenmasse, ist die Planck-Konstante, die durch 2 π geteilt ist, und Lz ist die Dicke der Quantentopfschicht. Hier sind die Dicke und Höhe der Barrierenschicht als unendlich angenommen, so daß die eindimensionale Behandlung möglich ist.
  • Auf diese Weise hat ein Elektron quantisierte Energien En, und die elektronische Zustandsdichte (E) wird so, daß sie eine stufenartige Verteilung hat, wie durch die durchgezogene Linie in dem Quantentopf gezeigt, wobei die elektronische Zustandsdichte im Volumenkristall gewöhnlich eine parabelförmige Verteilung hat wie in unterbrochenen Linien gezeigt.
  • Entsprechend ist es, wenn jede der Schichten oberhalb und unterhalb der aktiven Schicht mit der Quantentopfschicht jeweils zu einer Halbleitermantelschicht vom p-Typ und einer Halbleitermantelschicht vom n-Typ mit großen Energiebandlücken gemacht werden, möglich, die Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) und das Licht in der Dickenrichtung einzuschließen. Dadurch wird ein Halbleiterlaser vom Quantentopftyp hergestellt. Ein in dieser Weise aufgebauter Halbleiterlaser hat ein Niveau mit n = 1 (das niedrigste quantale Niveau), das höher als der Boden des Leitungsbandes (unterbrochene Linie in Fig. 3) ist, wenn die aktive Schicht aus einem Material hergestellt ist, das dieselbe Energiebandlücke hat wie das Material, das die aktive Schicht von dem gewöhnlichen Doppelheterostruktur-Halbleiterlaser aufbaut, und daher oszilliert er bei einer kürzeren Wellenlänge, da die Energiedifferenz größer als die eines gewöhnlichen Doppelheterostruktur-Halbleiterlaser ist, der bei der Energiedifferenz zwischen dem Boden des Leitungsbandes und der Spitze des Valenzbandes oszilliert. Darüber hinaus hat der Halbleiterlaser vom Quantentopf typ Eigenschaften, daß die Energieniveaus diskret sind, und Eigenschaften einer schmalen Linienbreite des Spektrums und einer guten Monochromatizität.
  • Die Vorrichtung des Stands der Technik von Fig. 1 wird nachstehend weiter beschrieben.
  • Zuerst wird n-Typ AlzGa(1-z)As, das eine Mantelschicht 2 sein wird, auf dem GaAs-Substrat 1 vom n&spplus;-Typ gewachsen, und darauffolgend wird eine Alzga(1-z)As-Schicht 3 vom n-Typ mit parabolischer Brechungsindexverteilung (z verändert sich schrittweise zu y), eine aktive AlxGa(1-x)As-Quantentopfschicht 4 vom p-Typ, eine AlyGa(1-y)As-Schicht 5 vom p-Typ mit parabolischer Brechungsindexverteilung (y verändert sich schrittweise zu z), eine p-Typ AlzGa(1-z)As-Mantelschicht 6 und eine p&spplus;-GaAs-Kontaktschicht 7 gewachsen (hier ist z > y > x). Fig. 4 zeigt ein Energiebanddiagramm der Mantelschicht, der Brechungsindexverteilungsschicht und der aktiven Schicht des auf diese Weise hergestellten Halbleiterlasers.
  • Oberhalb und unterhalb der aktiven Schicht 4 ist hier, je weiter man von der aktiven Schicht entfernt ist, der Aluminium-Zusammensetzungsanteil umso größer und der Brechungsindex umso niedriger, wodurch das bei der aktiven Schicht 4 erzeugte Licht innerhalb dieser Schicht mit parabolischer Brechungsindexverteilung eingeschlossen ist. Darüber hinaus wird mit der Endfläche ein Resonator erzeugt, wodurch das Auftreten von Laser-Oszillation ermöglicht wird. Dieser Laser-Typ wird als ein GRIN-SCH-Laser ("Graded index-separate confinement heterostructur laser", Heterostrukturlaser mit Wellenleiter mit abgestuftem Index und separatem Einschluß von Ladungsträgern und Licht) bezeichnet, aufgrund der Struktur, in der der Einschluß der Ladungsträger und des Lichts getrennt sind.
  • In dieser Vorrichtung des Stands der Technik sind, wenn Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) mit einer Vorspannung in Vorwärtsrichtung injiziert werden, Ladungsträger in der aktiven Quantentopf-Schicht 4 eingeschlossen, und die Elektronen und Löcher rekombinieren bei den diskreten Energieviveaus (n = 1, n = 2, ...) von dem Leitungsband und dem Valenzband, wodurch Lichtemission erzeugt wird. In diesem Fall kann ein scharfer Lichterzeugungs-Wellenlängenpeak (λ&sub1;, λ&sub2;, λ&sub3;,...) gemäß den Energieniveaus erhalten werden. In einem allgemeinen Laser wird die Verstärkung bei n = 1 größer als der Resonatorverlust, und Oszillation tritt bei dem quantalen Niveau von n = 1 auf. Wenn jedoch der Verlust erhöht ist, wird es wahrscheinlich, daß nicht nur Kombinationen der Ladungsträger bei den quantisierten Energieniveaus des Leitungsbands und Valenzbands mit n = 1 auftreten, sondern daß auch solche zwischen den quantisierten Energieniveaus mit n = 2 auftreten, wie in Fig. 2 gezeigt, wodurch sich eine Laser-Oszillation bei dem quantalen Niveau mit n = 2 ergibt. Die Oszillationswellenlänge bei n = 2 ist ziemlich kurz relativ zur Oszillationswellenlänge mit n = 1, da die Differenz zwischen den quantisierten Energieniveaus mit n = 1 und n = 2 ziemlich groß ist.
  • Das Verstärkungsspektrum der aktiven Schicht, das erhalten wird, wenn ein Strom angelegt wird, wird wie in Fig. 5 gezeigt. Hier bezeichnet n = 1, 2 und 3 die Peaks, die jeweils dem niedrigsten, dem zweitniedrigsten und drittniedrigsten quantalen Niveau entsprechen. Wenn ein Strom injiziert wird, hat der Peak, der n = 1 entspricht, die größte Verstärkung, und Laser-Oszillation tritt bei der Wellenlänge auf, die diesem quantalen Niveau entspricht.
  • Es ist erforderlich, die Quantentopfschicht sehr dünn zu machen oder den Zusammensetzungsanteil von Aluminium zu erhöhen, um eine Oszillation bei einer kurzen Wellenlänge durchzuführen. Es ist jedoch sehr schwierig, die Dicke der Quantentopfschicht zu steuern, so daß sie sehr dünn ist, und darüber hinaus wird es, wenn der Zusammensetzungsanteil von Aluminium erhöht wird, wahrscheinlich, daß eine Endflächenoxidation auftritt, wodurch die Lebensdauer verkürzt wird. Darüber hinaus wird, wenn der Quantentopf dünn gemacht wird und das Zusammensetzungsverhältnis von Aluminium erhöht wird, der Schwellenstrom hoch. Das sind die Hindernisse für die Wellenlängenverkürzung durch diese Verfahren.
  • Darüber hinaus wird in dem Halbleiterlaser des Stands der Technik mit solch einem Aufbau das Energieniveau, bei dem der Laser oszilliert, gesteuert. Im allgemeinen tritt eine Oszillation bei einem Energieniveau von n = 1 auf, und es ist unwahrscheinlich, daß eine Oszillation mit einer kurzen Wellenlänge bei n = 2 auftritt. In einem Fall, in dem eine Oszillation bei dem quantalen Niveau von n = 2 auftritt, wenn der Injektionsstrom erhöht wird, wie vorstehend bei dem Betrieb der Vorrichtung des Stands der Technik von Fig. 2 beschrieben, wird der Oszillationswellenlängenunterschied, der der Energiedifferenz ΔE&sub1;&sub2; zwischen den quantisierten Energieniveaus mit n = 1 und n = 2 entspricht, sehr groß. Beispielsweise ist in dem Fall der aktiven GaAs-Schicht vom Quantentopftyp mit einer Schichtdicke von 10 nm (100 Å) ΔE&sub1;&sub2; ungefähr 110 mev und die Wellenlängendifferenz ist 57 nm (570 Å).
  • In GB-A-2170044 wird eine alternative Struktur zu der gerade beschriebenen GRIN-SCH-Struktur beschrieben, in der eine Übergitter-Struktur angrenzend an die aktive Schicht angeordnet ist. Die Dicken der bestandteilbildenden angrenzenden Übergitter-Schichten, abwechselnd aus einem Material mit breiter Bandlücke und einem Material mit schmaler Bandlücke, sind abgestuft und nehmen mit Nähe zur aktiven Schicht ab. Dies erzeugt einen Effekt, der gleichwertig zu dem ist, der mit einer GRIN-SCH-Struktur erhalten wird. Da es leichter ist, die Schichtdicke zu steuern als die Schichtzusammensetzung zu variieren und steuern, kann die Herstellungsausbeute signifikant verbessert werden.
  • Es ist beabsichtigt, daß gemäß der vorliegenden Erfindung eine Halbleiter-Laservorrichtung bereitgestellt wird, in der Laser-Emission, die einem Quantentopf-Energieniveau entspricht, das höher als das niedrigste ist, bei einem relativ niedrigen Schwellenstrom durchgeführt werden kann.
  • Die Halbleiter-Laservorrichtung der vorliegenden Erfindung (ebenso wie die Laservorrichtung von GB-A-2170044) umfaßt: eine aktive Schicht mit Quantentopf struktur; und eine Übergitterstruktur, die an mindestens eine Seite der aktiven Schicht (200) angrenzt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Halbleiter-Laservorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß:
  • die Übergitterstruktur ein Energieniveau hat, das im wesentlichen gleich einem Energieniveau der aktiven Schicht ist, wodurch resonantes Tunneln der Ladungsträger zwischen der aktiven Schicht und der Übergitterstruktur auftreten wird, wobei die optische Verstärkung bei einer Wellenlänge, die einem optischen Übergang des Energieniveaus der aktiven Schicht entspricht, entweder verringert oder verstärkt wird.
  • In den begleitenden Zeichnungen:
  • ist Fig. 1 ein Diagramm, das einen Aufbau eines Quantentopflasers des Stands der Technik zeigt;
  • ist Fig. 2 ein Diagramm, das das Energiebandlückendiagramm der aktiven Quantentopfschicht zeigt;
  • ist Fig. 3 ein Diagramm, das die Zustandsdichte und die Energieniveaus des Quantentopfs zeigt;
  • ist Fig. 4 ein Diagramm, das das Energiebanddiagramm eines Halbleiterlasers mit einer GRIN-SCH-Struktur zeigt;
  • ist Fig. 5 ein Diagramm, das die Charakteristik der Wellenlänge gegen Verstärkung und Resonatorverlust des Halbleiterlasers des Stands der Technik zeigt;
  • 5 ist Fig. 6 ein Diagramm, das den Aufbau des Halbleiterlasers einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • ist Fig. 7 ein Diagramm, das das Energiebanddiagramm der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • ist Fig. 8 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Verstärkung und dem Resonatorverlust als Beispiel des Betriebs der bevorzugten Ausführungsform zeigt;
  • ist Fig. 9 ein Diagramm, das das Energiebanddiagramm einer Alternative der bevorzugten Ausführungsformen zeigt.
  • Fig. 6 zeigt einen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 6 bezeichnet Bezugszeichen 196 eine obere Elektrode, Bezugszeichen 197 bezeichnet eine GaAs-Kontaktschicht vom p&spplus;-Typ, Bezugszeichen 198 bezeichnet eine AlGaAs-Mantelschicht vom p-Typ, Bezugszeichen 199 bezeichnet eine Übergitterschicht, Bezugszeichen 200 bezeichnet eine undotierte aktive AlGaAs-Quantentopfschicht, Bezugszeichen 201 bezeichnet eine AlGaAs-Mantelschicht vom n- Typ, Bezugszeichen 202 bezeichnet ein n&spplus;-GaAs-Substrat, und Bezugszeichen 203 bezeichnet eine untere Elektrode.
  • Fig. 7 zeigt ein Energiebanddiagramm, das die Energieniveaus des Leitungsbands der p-Typ AlGaAs-Mantelschicht 198, der Übergitterschicht 199, der aktiven Quantentopfschicht 200 und der n-Typ AlGaAs-Mantelschicht 201 des Halbleiterlasers von Fig. 6 zeigt. Die vertikale Achse bezeichnet die Höhe der Energie.
  • Wie in Fig. 7 gezeigt, sollte die aktive Quantentopfschicht 200 zwei Quantentopfniveaus mit n = 1 und n = 2 haben. An der Seite der p-Typ AlGaAs-Mantelschicht 198 von dieser aktiven Schicht 200 ist eine Übergitterschicht 199 mit periodischer Struktur, umfassend AlGaAs und AlAs oder GaAs und AlAs, bereitgestellt, und die durch dieses Übergitter erzeugte Subbandenergie mit n = 1 und das quantale Energieniveau der aktiven Quantentopfschicht mit n = 1 sind einander gleichgemacht, so daß ein resonanter Tunneleffekt zwischen den Niveaus stattfindet.
  • Die Vorrichtung wird wie folgt betrieben.
  • Im allgemeinen wird das Elektronenbesetzungsverhältnis der quantalen Niveaus mit n = 1 und n = 2 bei der aktiven Quantentopfschicht mit zwei quantalen Niveaus mit n = 1 und n = 2 durch das Niveau des Injektionsstroms und die Relaxationszeit in dem Quantentopf bestimmt. Das heißt, die Relaxation von n = 2 zu n = 1 ist größer als die Elektroneninjektion nach n = 2 bei der niedrigen Strominjektion, und die Verstärkung der Wellenlänge, die n = 1 entspricht, wird groß. Entsprechend tritt die gewöhnliche Laseroszillation allgemein bei dieser Wellenlänge auf. Wenn der Injektionsstrom erhöht wird, nehmen die von der Mantelschicht in die Quantentopfschicht injizierten Elektronen zu, und die Anzahl der Elektronen, die bei einem n = 2-Niveau gehalten werden, wird stärker als die Anzahl der Elektronen in Bezug auf von n = 2 zu n = 1 erhöht, und die Verstärkung der Wellenlänge, die dem n = 2-Niveau entspricht, wird erhöht. Hier wird, wenn der interne Verlust des Resonators extensiv groß ist, eine Laser-Oszillation bei dem n = 2-Niveau beobachtet.
  • Hier in dieser Ausführungsform treten von der Seite der AlGaAs-Mantelschicht 201 vom n-Typ injizierte Elektronen in die aktive Schicht 200 ein, und diese Elektronen werden von dem quantalen Niveau der aktiven Schicht mit n = 1 zu dem quantalen Niveau der Übergitterschicht 199 mit n = 1 durch den resonanten Tunneleffekt transportiert, und sie werden aus dem quantalen Niveau mit n = 2 zu dem quantalen Niveau mit n = 1 der AlGaAs-Mantelschicht herausgenommen.
  • Wie aus der Wellenlängencharakteristik der Verstärkung bei dem in Fig. 8 gezeigten Injektionsstromniveau zu verstehen ist, ist es möglich, die Verstärkung bei dem quantalen Niveau mit n = 1, wie in Fig. 8 (b) gzeeigt, zu erniedrigen, da Elektronen des quantalen Niveaus mit n = 1 der aktiven Quantentopfschicht effektiv resonant zu der Seite der Mantelschicht 198 aufgrund der Tatsache tunneln, daß ein Übergitter an der Seite der AlGaAs-Nantelschicht 198 vom p-Typ bereitgestellt ist, wodurch die Anzahl der Elektronen bei dem quantalen Niveau mit n = 1 verringert wird. Entsprechend tritt, wenn eine Übergitterschicht 199 nicht bereitgestellt ist (siehe die Kurve (a) von Fig. 8), eine Laseroszillation bei der Wellenlänge λ&sub1;, die dem n = 1-Niveau entspricht, auf. Es ist jedoch möglich, eine Laseroszillation bei einer Wellenlänge λ&sub2;, die dem quantalen n = 2-Niveau entspricht, durch Bereitstellen einer Übergitterschicht 199 durchzuführen.
  • Entsprechend wird eine Laseroszillation bei dem n = 2-Niveau ermöglicht, selbst wenn der interne Verlust relativ klein ist.
  • In dieser Ausführungsform kann die Verstärkung bei dem quantalen Niveau mit n = 1 durch den Tunneleffekt erniedrigt werden, und es ist möglich, eine Laseroszillation, die dem quantalen Niveau mit n = 2 entspricht, bei einem relativ niedrigen Schwellenstrom selbst in einer Laserstruktur mit einem relativ niedrigen internen Verlust durchzuführen.
  • In der vorstehend veranschaulichten Ausführungsform werden Elektronen bei dem n = 1-Niveau nach außen durch den Tunneleffekt entnommen, aber wenn ein Übergitter 204 mit AlGaAs- und AlAs-Schichten oder GaAs- und AlAs-Schichten an der Seite der AlGaAs-Mantelschicht 201 vom n-Typ bereitgestellt wird und das quantale Niveau des Übergitters und das quantale Niveau mit n = 2 der aktiven Schicht eingestellt werden, so daß sie einander gleich sind, wie in Fig. 9 gezeigt, tunneln die Elektronen von der Mantelschicht effektiv durch diese Übergitterschicht zu dem n = 2-Niveau, wodurch sich Laseroszillation ergibt, die dem quantalen Niveau mit n = 2 bei einem weiter niedrigeren Schwellenwert entspricht.
  • Darüber hinaus kann solch ein Verfahren nicht nur auf einen Fall angewendet werden, in dem zwei quantale Niveaus mit n = 1 und n = 2 bereitgestellt sind, sondern auch auf einen Fall, in dem mehr als drei quantale Niveaus bereitgestellt sind, was zu einer Laser-Oszillation mit n = 3 führt. Darüber hinaus kann eine Übergitter-Schicht jeden Aufbau haben, wenn sie ein quantales Niveau hat, das sich mit mindestens einem der quantalen Niveaus der Quantentöpfe der aktiven Schicht in Resonanz befindet.
  • Darüber hinaus werden in der vorstehend veranschaulichten Ausführungsform Leitungsbandelektronen verwendet, aber Valenzbandelektronen können in ähnlicher Weise wie vorstehend verwendet werden, obwohl der Effekt der Verringerung der Wellenlänge klein ist aufgrund der Tatsache, daß die effektive Masse eines positiven Lochs größer als die eines Elektrons ist.

Claims (4)

1. Halbleiter-Laser, umfassend:
eine aktive Schicht (200) mit Quantentopf struktur; und
eine Übergitterstruktur (199; 199 & 204) angrenzend an mindestens eine Seite der aktiven Schicht (200);
wobei der Laser dadurch gekennzeichnet ist, daß die Übergitterstruktur (199; 199 & 204) einem Energieniveau hat, das im wesentlichen gleich einem Energieniveau der aktiven Schicht (200) ist, wodurch resonantes Tunneln der Ladungsträger zwischen der aktiven Schicht (200) und der Übergitterstruktur (199; 199 & 204) auftreten wird, wobei die optische Verstärkung bei einer Wellenlänge, die einem optischen Übergang des Energieniveaus der aktiven Schicht (200) entspricht, entweder verringert oder verstärkt wird.
2. Laser nach Anspruch 1, wobei die Übergitterstruktur (199) nur an eine Seite der aktiven Schicht (200) angrenzt und ein Energieniveau hat, das im wesentlichen gleich einem niedrigeren Energieniveau der aktiven Schicht (200) ist, wodurch resonantes Tunneln der Ladungsträger zwischen der aktiven Schicht (200) und der Übergitterstruktur (199) auftreten wird, wobei die optische Verstärkung bei der Wellenlänge, die dem optischen Übergang des niedrigeren Energieniveaus der aktiven Schicht (200) entspricht, verringert wird.
3. Laser nach Anspruch 1, wobei die Übergitterstruktur (199, 204) an jede Seite der aktiven Schicht (200) angrenzt und Energieniveaus hat, die im wesentlichen jeweils gleich einem niedrigerem und einem höheren Energieniveau der aktiven Schicht (200) sind, wodurch resonantes Tunneln der Ladungsträger zwischen der aktiven Schicht (200) und der Übergitterstruktur (199) mit dem im wesentlichen gleichen niedrigeren Energieniveau und zwischen der Übergitterstruktur (204) mit dem im wesentlichen gleichen höheren Energieniveau und der aktiven Schicht auftreten wird, wodurch die optische Verstärkung für die Wellenlänge, die dem optischen Übergang des niedrigeren Energieniveaus entspricht, verringert werden wird und die optische Verstärkung für die Wellenlänge, die dem optischen Übergang des höheren Energieniveaus entspricht, verstärkt werden wird.
4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das höhere und niedrigere Energieniveau der aktiven Schicht (200) jeweils die Energieniveaus der aktiven Schicht mit n = 2 und n = 1 sind.
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