DE4034187A1 - Optisches halbleiterelement - Google Patents

Optisches halbleiterelement

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Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Halbleiterelement ge­ mäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 3, das beispielsweise ein Halbleiterlaser, ein Halblei­ ter-Wellenleiter oder ein optischer Halbleiter-Modulator sein kann. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein optisches Halbleiterelement mit einer Quantenwannenstruk­ tur, die einen regellosen bzw. gestörten Bereich (disorde­ red region) aufweist.
Eine Halbleiter-Quantenwannenstruktur kann zur Bildung ei­ nes Lasers dienen, der verbesserte Eigenschaften aufweist, z. B. bei niedrigem Schwellenwert betrieben werden kann, wenn die Halbleiter-Quantenwannenstruktur als aktive Schicht bei einem Halbleiterlaser zum Einsatz kommt. Mit der Halbleiter-Quantenwannenstruktur läßt sich aber auch ein Wellenleiter bilden, der sehr geringe Verluste auf­ weist, wenn diese Struktur als Lichtwellenleiter benutzt wird. Die Halbleiter-Quantenwannenstruktur kann auch sonst in vielen Bereichen verwendet werden, beispielsweise in op­ tischen Funktionseinrichtungen oder Modulatoren unter Aus­ nutzung des elektrischen Feldeffekts in bezug auf die opti­ sche Nichtlinearität oder unter Ausnutzung der Anregungsab­ sorption durch Anregung bei Raumtemperatur.
Bei einer Quantenwannenstruktur tritt darüber hinaus das Phänomen auf, daß sie in einen regellosen bzw. ungeordneten oder gestörten Zustand übergeht, wenn sie durch Diffusion verunreinigt oder getempert wird, so daß sie schließlich eine Schicht von mittlerer Zusammensetzung bildet. Unter Ausnutzung dieser Unordnung bzw. Regellosigkeit der Quan­ tenwanne läßt sich in einfacher Weise ein Wellenleiter vom Planar-Typ oder Einbau-Typ herstellen.
Es sind bereits mehrere Halbleiterlaser und Wellenleiter beschrieben worden, bei denen die Regellosigkeit bzw. Fehl­ ordnung einer Quantenwanne aus einer AlGaAs/GaAs-Serie aus­ genutzt wird und die bei einer Wellenlänge unterhalb von 1 µm arbeiten, also im sogenannten kurzen Wellenlängenbe­ reich. Da sich die Gitterkonstante von AlxGa1-xAs nicht in Abhängigkeit des Al-Zusammensetzungsverhältnisses x ändert, tritt keine Gitterfehlanpassung auf, auch wenn sich die Quantenwannenstruktur infolge der Regellosigkeit bzw. Fehl­ ordnung in eine Schicht mittlerer Zusammensetzung umwan­ delt.
Andererseits kommen in einem optischen Element, das im so­ genannten langen Wellenlängenbereich arbeitet, also bei 1 µm, üblicherweise InGaAsP/InP-Materialserien zum Einsatz. Das Material In1-xGaxAsyP1-y weist eine Gitterkonstante auf, die sich in Abhängigkeit der Zusammensetzungsverhält­ nisse ändert, also in Abhängigkeit der Werte von x und y. Als Beispiel für eine Quantenwannenstruktur für den langen Wellenlängenbereich sei beispielsweise eine In0,53Ga0,47As/ InP-Quantenwannenstruktur genannt, die in Fig. 5 darge­ stellt ist. Ihr Energiebanddiagramm ist in Fig. 6 gezeigt. In diesen Figuren bedeuten das Bezugszeichen 51 eine In0,53Ga0,47As-Wannenschicht, das Bezugszeichen 52 eine InP-Barrierenschicht, die Bezugszeichen 53 und 54 InP-Ab­ deckschichten (cladding layers), das Bezugszeichen 61 ein Leitungsbandende und das Bezugszeichen 62 ein Valenzbanden­ de. Die Gitterkonstante der In0,53Ga0,47As-Schicht 51 ist etwa gleich der Gitterkonstanten der InP-Schichten 52, 53 und 54.
Wird als Verunreinigung Si in den Bereich 56 hineindiffun­ diert, der durch diagonale Linien in der Quantenwannen­ struktur von Fig. 5 dargestellt ist, so wird derjenige Be­ reich der Quantenwannenschichten, zu denen die In0,53Ga0,47As-Wannenschicht 51 und die InP-Barrieren­ schicht 52 gehören und in den Si hineindiffundiert wird, in einen ungeordneten Zustand überführt, und zwar in eine In1-x GaxAsyP1-y-Schicht 57 von mittlerer Zusammensetzung, wobei dieser Bereich eine Gitterkonstante aufweist, die sich von der der ursprünglichen In0,53Ga0,47As-Wannenschicht 51 und der der InP-Barrierenschicht 52 unterscheidet. Demzufolge entsteht aufgrund der Gitterfehlanpassung eine Spannung an der Grenzfläche 55, die zwischen demjenigen Teil, in wel­ chem die Quantenwanne fehlgeordnet ist, und demjenigen Teil, in welchem sie noch geordnet ist, liegt. Diese Span­ nung erzeugt Verschiebungen bzw. Versetzungen in der Grenz­ fläche 55. Wird beispielsweise eine Quantenwannenstruktur mit den oben beschriebenen Materialien zur Bildung einer aktiven Schicht eines Quantenwannenlasers verwendet und wird der aktive Bereich fehlgeordnet bzw. in einen regello­ sen Zustand überführt, so verstärken sich die an der Grenz­ fläche erzeugten Verschiebungen während des Betriebs des Lasers und führen so zu einer Verschlechterung seiner Be­ triebseigenschaften. Die infolge der Gitterfehlanpassung erzeugte Spannung verhindert darüber hinaus die Verschie­ bung von Atomen und somit die Erzeugung einer wirklichen Regellosigkeit, so daß sich keine gleichmäßig zusammenge­ setzte Schicht erhalten läßt.
Ein herkömmliches optisches Halbleiterelement für den lan­ gen Wellenlängenbereich, also für den 1 µm-Bereich, enthält eine Quantenwannenschicht mit den oben beschriebenen Mate­ rialien. Wird daher die Fehlordnung bzw. Regellosigkeit in der oben beschriebenen Weise hervorgerufen, so entsteht aufgrund der Gitterfehlanpassung eine Spannung an der Grenzfläche zwischen dem fehlgeordneten Teil und dem geord­ neten bzw. nicht-fehlgeordneten Teil, wodurch die Eigen­ schaften des Elements nachteilig beeinflußt werden. Es ist somit nicht möglich, eine Einrichtung herzustellen, die die Unordnung bzw. Regellosigkeit einer Quantenwannenstruktur in einem optischen Element ausnutzt, das in einem Wellen­ längenbereich von 1 µm arbeitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein im langen Wellenlängenbereich arbeitendes optisches Element zu schaf­ fen, das die Fehlordnung bzw. Regellosigkeit einer Quanten­ wannenstruktur ausnutzt und bei dem keine Gitterfehlanpas­ sung auftritt.
Lösungen der gestellten Aufgabe sind den kennzeichnenden Teilen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 3 zu ent­ nehmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen gekennzeichnet.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung enthält ein optisches Halbleiterelement eine Quanten­ wannenstruktur mit einer Wannenschicht aus In0,53Ga0,47As und einer Barrierenschicht aus (AlxGa1-x) 0,47In0,53As, wobei ein Teil der Quantenwannenstruktur fehl- bzw. ungeord­ net oder regellos ist, was durch Diffusion von Verunreini­ gungen bewirkt wird, um eine gleichmäßig zusammengesetzte Schicht zu erhalten.
Beim optischen Halbleiterelement nach der vorliegenden Er­ findung sind die Konzentrationen von As und In in der Wan­ nenschicht und in der Barrierenschicht der Quantenwannen­ struktur einander gleich. Wird die Quantenwannenstruktur fehlgeordnet bzw. verunregelmäßigt, so daß sie einen unge­ ordneten Aufbau aufweist, werden nur Al und Ga gegenseitig ausgetauscht, um eine gleichförmig zusammengesetzte (AlyGa1-y)0,47In0,53As-Schicht zu erhalten. Da sich die Gitterkonstante von (AlyGa1-y)0,47In0,53As nicht in Abhän­ gigkeit des Al-Zusammensetzungsverhältnisses y ändert, weist die fehlgeordnete bzw. ungeordnete Schicht wenigstens annähernd dieselbe Gitterkonstante wie die ursprüngliche Quantenwannenschicht auf, so daß keine Gitterfehlanpassung an der Grenzfläche entsteht, auch dann nicht, wenn die Fehlordnung bzw. Unordnung oder Regellosigkeit (disorder) erzeugt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Halbleiterlaser nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2 einen vergrößerten Teil einer Quantenwannenschicht und benachbarte Bereiche im Halbleiterlaser nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung der Energieband­ lücke der Quantenwannenschicht des Ausführungsbei­ spiels der Erfindung,
Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Abhängigkeit zwi­ schen Gitterkonstante und Energiebandlücke bei ei­ nem AlGaInAs-Kristall,
Fig. 5 eine herkömmliche In0,53Ga0,47As/InP-Quantenwan­ nenstruktur, und
Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung der Energieband­ lücke der herkömmlichen In0,53Ga0,47As/InP-Quan­ tenwannenstruktur.
Im nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel unter Bezug­ nahme auf die Fig. 1 bis 4 im einzelnen beschrieben.
Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Halbleiter­ laser, der ein optisches Halbleiterelement im Sinne der Er­ findung darstellt. In der Fig. 1 bedeuten das Bezugszeichen 1 ein halbisolierendes InP-Substrat, das Bezugszeichen 2 eine In0,53Ga0,47As/(Al0,3Ga0,7)0,47In 0,53As-Quantenwannen­ schicht, das Bezugszeichen 3 eine p-Typ (Al0,8Ga0,2)0,47 In0,53As-Abdeckschicht (cladding layer), das Bezugszeichen 4 eine n-Typ (Al0,8Ga0,2)0,47In0,53As-Abdeckschicht (clad­ ding layer), das Bezugszeichen 5 eine In0,53Ga0,47As-Kon­ taktschicht, das Bezugszeichen 6 einen Si-Diffusionsbe­ reich, das Bezugszeichen 7 einen Zn-Diffusionsbereich und die Bezugszeichen 8 und 9 jeweils eine n-seitige Elektrode und eine p-seitige Elektrode.
Die Fig. 2 zeigt die Quantenwannenschicht 2 gemäß Fig. 1 und benachbarte Bereiche davon in vergrößerter Darstellung, während in der Fig. 3 das Energiebanddiagramm der Quanten­ wannenschicht erläutert ist. In diesen Figuren bedeuten das Bezugszeichen 21 eine In0,53Ga0,47As-Wannenschicht, das Be­ zugszeichen 22 eine (Al0,3Ga0,7)0,47In0,53As-Barrieren­ schicht, das Bezugszeichen 23 eine (AlyGa1-y)0,47In0,53As- Schicht von mittlerer Zusammensetzung, wobei diese Schicht regellos bzw. fehlgeordnet ist, und das Bezugszeichen 24 eine Grenzfläche zwischen dem fehlgeordneten Bereich und dem nicht-fehlgeordneten bzw. geordneten Bereich. Ein Lei­ tungsbandende in Fig. 3 trägt das Bezugszeichen 31, während das zugehörige Valenzbandende mit dem Bezugszeichen 32 be­ zeichnet ist.
Nachfolgend werden die Schritte zur Herstellung des Halb­ leiterlasers im einzelnen beschrieben. Zuerst werden durch einen Aufwachsvorgang, beispielsweise mit Hilfe des MOCVD- oder des MBE-Verfahrens, der Reihe nach aufeinanderliegend eine p-Typ (Al0,8Ga0,2)0,47In0,53As-Abdeckschicht 3, eine In0,53Ga0,47As/(Al0,3Ga0,7)0,47In0,53As-Quantenwannen­ schicht 2 eine n-Typ (Al0,8Ga0,2)0,47In0,53As-Abdeckschicht 4 und eine In0,53Ga0,47As-Kontaktschicht 5 gebildet. Sodann wird unter Verbleib eines streifenförmigen Bereichs von et­ wa 2 µm Breite, der später als aktiver Bereich dienen soll, Si selektiv in eine Seite des streifenförmigen Bereichs und Zn selektiv in die andere Seite des streifenförmigen Be­ reichs hineindiffundiert, um einen Si-Diffusionsbereich 6 und einen Zn-Diffusionsbereich 7 zu erhalten. Zuletzt wird ein Teil eines pn-Übergangs, welcher in der In0,53Ga0,47As- Kontaktschicht 5 gebildet worden ist, durch einen Ätzvor­ gang entfernt, wonach eine n-seitige Elektrode 8 auf der Oberfläche des Si-Diffusionsbereichs 6 und eine p-seitige Elektrode 9 auf der Oberfläche des Zn-Diffusionsbereichs 7 gebildet werden. Bei der Durchführung des Si-Diffusionspro­ zesses oder des Zn-Diffusionsprozesses im oben beschriebe­ nen Herstellungsverfahren treten Bewegungen von Al und Ga zwischen der In0,53Ga0,47As-Wannenschicht 21 und der (Al0,3Ga0,7)0,47In0,53As-Barrierenschicht 22 in der Quan­ tenwannenschicht 2 auf, was zu einer Vergleichmäßigung der Konzentration führt. Da andererseits In und As dieselbe Konzentration in beiden Schichten 21 und 22 aufweisen, tritt diesbezüglich keine Konzentrationsänderung auf. Als Ergebnis der infolge der Verunreinigungsdiffusion erzeugten Fehlordnung erhält die Quantenwannenschicht 2 eine (Aly Ga1-y)0,47In0,53As-Schicht 23 mit gleichförmiger Zusammen­ setzung.
Die Fig. 4 zeigt eine Gitterkonstante und eine Energieband­ lücke des AlGaInAs-Kristalls. In der Fig. 4 ist der Kri­ stall mit der Zusammensetzung (AlxGa1-x)0,47In0,53As(0 x 1) durch die gebrochene Linie dargestellt, wobei dieser Kristall wenigstens näherungsweise dieselbe Gitterkonstante wie die von InP aufweist, und zwar für irgendeinen Wert von x. Aus diesem Grunde weist die (AlyGa1-y)0,47In0,53As- Schicht, die durch die Verunregelmäßigung bzw. Entordnung gebildet worden ist, dieselbe Gitterkonstante auf wie die In0,53Ga0,47As-Wannenschicht 21 und die (Al0,3Ga0,7)0,47 In0,53As-Barrierenschicht 22, so daß keine Gitterfehlanpas­ sung an der Grenzfläche 24 in Fig. 2 hervorgerufen wird.
Es entsteht somit keine Verschlechterung in der aktiven Schicht aufgrund der Erzeugung von Verschiebungen oder Ver­ setzungen, was zu einem Element mit guten Betriebseigen­ schaften führt. Da keine Gitterfehlanpassung hervorgerufen wird, wird demzufolge auch nicht die Erzeugung der Fehlord­ nung bzw. Regellosigkeit verhindert, was zu einer Schicht mit vollständig bzw. durchgehend gleichförmiger Zusammen­ setzung führt.
Beim vorliegenden Halbleiterlaser fließt ein Strom konzen­ triert im streifenförmigen, aktiven Bereich infolge der Po­ tentialbarrierendifferenz des pn-Übergangs, so daß auf die­ se Weise eine Laserschwingung hervorgerufen wird. Zusätz­ lich weist die (AlyGa1-y)0,47In0,53As-Schicht, die durch die Fehlordnung bzw. Verunregelmäßigung hervorgerufen wor­ den ist, eine höhere Energiebandlücke auf als die In0,53Ga0,47As-Wannenschicht 21 der aktiven Schicht und be­ sitzt ferner einen niedrigeren Brechungsindex als die In0,53Ga0,47As/(Al0,3Ga0,7)0,47In0,53As-Quantenwannen­ schicht 2, so daß sich ein effizienter Einschluß der inji­ zierten Träger bzw. Ladungsträger und des Lichts ergeben. Mit anderen Worten ist es bei Verwendung einer fehlgeordne­ ten bzw. durch Verunregelmäßigung erzeugten Quantenwanne möglich, in sehr einfacher Weise einen aktiven Bereich oder einen Wellenleiter in Planarstruktur zu erzeugen. Beim vor­ liegenden Halbleiterlaser wird Laserlicht mit einer Wellen­ länge im Bereich von 1,3 bis 1,6 µm erhalten.
Im zuvor erwähnten Ausführungsbeispiel wird ein Laser vom Planar-Typ beschrieben, der durch Diffusion von p- und n- Typ-Diffusionsmaterial dotiert worden ist. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Die Struktur des Lasers kann irgendeine Struktur sein, bei der eine Quantenwannen­ schicht fehlgeordnet bzw. verunregelmäßigt ist.
Beim zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel enthält die Wan­ nenschicht eine In0,53Ga0,47As-Schicht, was jedoch nur als Beispiel zu verstehen ist. Die Wannenschicht kann auch eine (AlxGa1-x)0,47Ga0,53As-Schicht sein, wobei der Wert x so gewählt ist, daß die Energiebandlücke der Wannenschicht kleiner ist als die der Barrierenschicht. In diesem Fall wird ein Laser mit einer kürzeren Wellenlänge als beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel realisiert.
Bisher wurde die Erfindung im Zusammenhang mit einem Halb­ leiterlaser beschrieben, jedoch könnte hierzu auch ein Wel­ lenleiter oder ein optischer Modulator, ein optischer Ver­ stärker, ein optischer Schalter oder ein optisches, bista­ biles Element herangezogen werden.
Wie oben erwähnt, wird die Fehlordnung bzw. Verunregelmäßi­ gung der Quantenwannenstruktur durch Diffusion von Verun­ reinigungen bzw. durch Diffusion von Dotierungsmaterial er­ zeugt. Es ist aber auch möglich, die Fehlordnung bzw. Ver­ unregelmäßigung durch andere Verfahren hervorzurufen, bei­ spielsweise durch Ionenimplantationstemperung oder durch Laserbestrahlung.
Wie der vorangegangenen Beschreibung zu entnehmen ist, ent­ hält der Kristall der Quantenwannenstruktur kein Phosphor. Es kann jedoch auch ein Kristall benutzt werden, der Phos­ phor enthält, derart, daß die Wannenschicht In0,65Ga0,35As0,79P0,21 und die Barrierenschicht (Al0,3Ga0,7)0,35In0,65As0,79P0,21 aufweisen. Die genannten Zusammensetzungsschichten besitzen Gitterkonstanten, die zu denen von InP passen. Wird eine Quantenwannenstruktur, die die oben genannten Schichten enthält, fehlgeordnet bzw. verunregelmäßigt, so wird eine (AlxGa1-x)0,35In0,65As0,79 P0,21-Schicht (x < 0,3) erhalten, die eine mittlere Zusam­ mensetzung aufweist. Deren Gitterkonstante ist gleich der­ jenigen der Originalwanne und der Barrierenschicht, so daß sich keine Gitterfehlanpassung ergibt.
Wie der obigen Beschreibung klar zu entnehmen ist, weist gemäß der Erfindung eine Quantenwannenstruktur einen Kri­ stall auf, der die Zusammensetzung (AlxGa1-x)1-zInzPyAs1-y besitzt, dessen Gitterkonstante mit derjenigen von InP zu­ sammenpaßt und der fehlgeordnet bzw. verunregelmäßigt ist. Daher läßt sich in einfacher Weise ein im langen Wellenlän­ genbereich arbeitendes optisches Quantenwannenelement mit begrabener Struktur erhalten, bei dem keine Gitterfehlan­ passung vorhanden ist und das eine hohe Betriebszuverläs­ sigkeit aufweist.

Claims (4)

1. Optisches Halbleiterelement, gekennzeichnet durch eine Quantenwannenstruktur mit einer Wannenschicht aus ei­ nem Kristall, der die Zusammensetzung AlxGa1-x)1-zInzPyAs1-y (0 x < 1, 0 y < 1, 0 < z < 1) sowie ein Gitter auf­ weist, das zu dem des InP-Kristalls paßt, und mit einer Barrierenschicht eines Kristalls, der die Zusammensetzung (Alx,Ga1-x,)1-zInzPyAs1-y (x < x′ 1) sowie ein Gitter aufweist, das zu dem des InP-Kristalls paßt, wobei wenig­ stens ein Teil der Quantenwannenstruktur fehl- bzw. unge­ ordnet ist.
2. Optisches Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantenwannenschicht die Zusam­ mensetzung In0,53Ga0,47As und die Barrierenschicht die Zu­ sammensetzung (AlpGa1-p)0,47In0,53As (0 < p < 1) aufweisen.
3. Optisches Halbleiterelement, gekennzeichnet durch
  • - eine erste Abdeckschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp, die die Zusammensetzung (AlqGa1-q)0,47In0,53As (0 < q 1) aufweist und auf einem halbisolierenden Substrat liegt,
  • - eine eine Quantenwannenstruktur aufweisende aktive Schicht mit einer In0,53Ga0,47As-Wannenschicht und einer (AlpGa1-p)0,47In0,53As (0 < p q) Barrierenschicht auf der Abdeckschicht,
  • - eine zweite Abdeckschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp, die die Zusammensetzung (AlqGa1-q)0,47In0,53As aufweist und auf der aktiven Schicht liegt, und
  • - in die aktive Schicht der Quantenwannenstruktur hinein­ diffundierte Verunreinigungen, um einen verbleibenden streifenförmigen, aktiven Bereich mit Verunreinigungen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps an beiden Seiten des Streifens zu erhalten, wobei die Quantenwannenstruktur in einem Bereich der aktiven Schicht, in welchen die Verun­ reinigungen hineindiffundiert worden sind, fehl- bzw. un­ geordnet ist.
4. Optisches Halbleiterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungen, die zu unter­ schiedlichen Leitfähigkeitstypen führen, Si und Zn sind.
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