DE4034187A1 - Optisches halbleiterelement - Google Patents
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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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