DE602004002440T2

DE602004002440T2 - Optische Halbleitervorrichtung auf Indiumphosphidsubstrat für Operation bei hohen Wellenlängen

Info

Publication number: DE602004002440T2
Application number: DE602004002440T
Authority: DE
Inventors: Jean-Louis Gentner; c/o Alcatel CIT Francois Alexandre; Bruno Thedrez; c/o Alcatel CIT Olivier Gauthier-Lafaye
Original assignee: Oclaro North America Inc
Current assignee: Oclaro North America Inc
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2024-07-16
Also published as: US7109526B2; DE602004002440D1; FR2857784B1; EP1505699A1; EP1505699B1; US20050056868A1; FR2857784A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Halbleitervorrichtung mit einer langen Betriebswellenlänge, die ein Indiumphosphidsubstrat aufweist.
Es ist bekannt, daß Laser, welche bei langen Wellenlängen, d.h. über 1,5 µm arbeiten, zur Verwendung für die optische Datenübertragung in dem sogenannten C-Band (1530-1570 nm) und/oder dem sogenannten L-Band (1570-1610 nm) vorgesehen sind.
Diese Laser haben eine vertikale Struktur, die aus einem Stapel von Halbleiterschichten auf einem Halbleitersubstrat gebildet sind. In diesem Stapel gibt es eine aktive Schicht, typischerweise mit einer einzigen oder mit mehreren Quantentöpfen (quantum wells), welche durch Barriereschichten voneinander getrennt sind, und die zwischen zwei optischen Begrenzungs- bzw. Confinementschichten angeordnet ist.
Das Dokument mit dem Titel "Leading-edge optoelectronic device production using two-inch technology" Simes, R.; Capella, R.M.; Fernier, B.; Mayer, H.P.; in Conference Proceedings of 7^th International Conference on indium phosphide and related materials, 9.-13. Mai 1995, Seiten 10-13, offenbart daher einen direkt modulierten Laser, welcher bei 1,55 μm und bei 2,5 Gbit pro Sekunde arbeitet und welcher auf einem Substrat aus Indiumphosphid InP konstruiert ist. Die Quantentopfschicht ist eine Legierung In_0,8Ga_0,2As_0,77P_0,23.
Dieser Lasertyp ist nicht für einen Betrieb bei hoher Temperatur ohne thermische Steuerung geeignet. Zum Beispiel ist bei einer Temperatur von 85°C die charakteristische Temperatur T₀, welche zu dem Schwellenwertstrom Is gehört, welcher durch die Beziehung Is_85°C = Is_25°C ·
definiert ist, auf ungefähr 45K begrenzt. Und die charakteristische Temperatur T₁, welche zu der differentiellen Effizienz η gehört welche durch die Beziehung η_85°C = η_25°C·
definiert ist, verbleibt unter 130 K.
Das Ziel der Erfindung ist es, eine optische Halbleitervorrichtung (Dauerstrich- oder direkt modulierter Laser, Dauerstrichlaser kombiniert mit einem Elektroabsorptionsmodulator, optischer Halbleiterverstärker, etc.) bereitzustellen, deren Betriebswellenlänge innerhalb des C-Bandes oder sogar des L-Bandes (die Bänder sind möglicherweise verbreitert) liegt und der eine thermische und/oder optoelektronische Leistungsfähigkeit zeigt, die insbesondere in Bezug auf das Temperaturverhalten der Charakteristiken und/oder der emittierten Leistung und/oder falls anwendbar, des Modulationsverhaltens bei hohen Raten optimiert ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Für diesen Zweck schlägt die Erfindung eine optische Halbleitervorrichtung vor mit:

– einem Substrat oder einer äquivalenten Pufferschicht, basierend auf Indiumphosphid oder einem anderen Halbleiter mit einer genäherten Gitteranpassung an Indiumphosphid,
– einer aktiven Schicht, welche eine Zusammensetzung aufweist, die an eine Betriebswellenlänge oberhalb 1,5 µm angepaßt ist und die eine Galliumkonzentration x, eine Indiumkonzentration 1-x und eine Arsenkonzentration y aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration x größer oder gleich 0,48 ist, daß die Zusammensetzung darüber hinaus eine Stickstoffkonzentration z kleiner gleich 0,05 aufweist und daß die Konzentration y in etwa gleich 1-z ist.

Die Zusammensetzung der aktiven Schicht kann dann in der konventionellen Notation als In_1-xGa_xAs_yN_z bezeichnet werden, wenn die aktive Schicht keine zusätzlichen Legierungskomponenten aufweist.
Die Indiumkonzentration 1-x wurde relativ zu der aus dem Stand der Technik bekannten reduziert, um die Gitterparameter der Quantentopfschicht zu erhöhen und einen Spannungszustand unter Zugspannung zu erhalten (der Gitterparameter der Schicht ist kleiner als der Gitterparameter des Substrats). US 6,449,299 offenbart eine optische GaInNAs-Halbleitervorrichtung, die an ein InP-Substratgitter angepaßt ist.
Der Stickstoff hilft, die Energie der Bandlücke, welche durch den Spannungszustand unter Zugspannung hervorgerufen wird, zu reduzieren, was es möglich macht, die gewünschte Betriebswellenlänge in dem C- oder L-Band zu erreichen, im Gegensatz zum Stand der Technik, welcher durch die Familie von InGa(Al)AsP-Materialien repräsentiert wird, welche diese nützlichen Wellenlängen nicht bereitstellt.
Stickstoff modifiziert die Eigenschaften des elektronischen Confinements einer aktiven Schicht, wenn diese einen Quantentopf bzw. Quantentöpfe aufweist, z. B. in Lasern und bestimmten optischen Halbleiterverstärkern (semiconductor optical amplifiers SOAs). Genauer wird die Energie Ec1 der Kante des Leitungsbandes reduziert, und die Bandverschiebung zwischen der Quantentopfschicht und den Barriereschichten wird vergrößert. Daher wird das elektronische Confinement verstärkt, und die Vorrichtung ist weniger sensitiv auf thermische Einflüsse und daher auf einem Temperaturanstieg. Die thermische Leistungsfähigkeit wird in der Folge verbessert: T₀ und T₁ werden signifikant erhöht.
Darüber hinaus wird Stickstoff in einer Menge zugegeben, welche klein genug ist, so daß sie nicht die Schicht zerstört, aber trotzdem ausreichend ist, um die Gitterparameter auf einen erwünschten Wert, der geringer ist als der Gitterparameter des Inmdiumphosphid InP, einzustellen, so daß ein Spannungszustand unter Zugspannung erhalten wird.
Die Zugspannungen können ein ausreichendes Niveau aufweisen, so daß die Entartung des Valenzbandes im Falle einer massiven aktiven Schicht angehoben wird. In dem Fall einer aktiven Schicht mit Quantentöpfen kreuzt das lh-Band (lh: Leichtloch) das hh-Band (hh: Schwerloch) bei einem bestimmten Spannungswert und geht dann über das Band.
Das Kreuzen der Leichtloch- und Schwerlochbänder ist vorteilhaft, da es die effektive Masse der Löcher m_h verringert, während die Emission einer transversal magnetischen (TM) polarisierten Welle gefördert wird. Eine vorteilhafte Anwendung des Betriebs im TM-Modus wird in dem Fall einer Integration eines Lasers mit einem optischen Isolator in monolithischer Technologie erhalten.
Darüber hinaus bewirkt Stickstoff, daß die effektive Elektronenmasse m_e erhöht wird.
Die Erhöhung von m_e und die Reduzierung von m_h führt zu einer "Symmetrisierung" der Struktur der Bänder, wobei Übergänge zwischen dem Leitungsband und dem Leichtlochband begünstigt werden.
In dieser Konfiguration werden weniger injizierte Ladungsträger benötigt, um die gleiche optische Verstärkung G zu erhalten. Darüber hinaus ist die Verstärkung G proportional zu der reduzierten Masse m_r, welche durch die Beziehung m_r = m_e·m_h/(m₂ + m_h) definiert ist, welche maximal ist, wenn m_e und m_h gleich sind. Als ein Ergebnis ist die differentielle Verstärkung und daher die externe Effizienz erhöht.
Die Vorrichtung ist effizienter in ihrer Umwandlung der injizierten elektrischen Energie in einen Lichtfluß.
Für eine gegebene optische Ausgangsleistung ist es notwendig, weniger Träger zu injizieren als im Stand der Technik. Die Steuerelektroniken können auch vereinfacht werden und Leistungsverbrauch ist minimiert. Es wird auch möglich, eine optische Ausgangsleistung zu erhalten, die hoch genug für eine Übertragung über ein Medium oder über lange Distanzen ist.
Darüber hinaus wird eine Erhöhung der differentiellen Verstärkung begleitet von einer invers-proportionalen Reduzierung des Henry-Faktors α. Daher können für Laser schnellere Modulationen, typischerweise beginnend bei 10 Gbit/s anvisiert werden.
Für den speziellen Fall von SOAs mit einer "massiven" aktiven Schicht aus InGaAs aus dem Stand der Technik bestehen die gleichen Beschränkungen, wenn es erforderlich ist, das Ende des C-Bandes und sogar noch das L-Band abzudecken. Daher macht es die Erfindung möglich, den zugänglichen Wellenlängenbereich durch Hinzufügen eines kleinen Bruchteils an N zu der Zusammensetzung InGaAsN-Schicht zu erweitern. Es folgt auch eine Verbesserung der Stabilität der Hochtemperaturleistungsfähigkeit und der dynamischen Leistungsfähigkeit.
Vorzugsweise kann die Konzentration z zwischen 0,005 und 0,02 liegen, wenn die Schicht Quantentöpfe aufweist, und zwischen 0,005 und 0,01, wenn die Schicht massiv ist.
Die Konzentration x kann zwischen 0,5 und 0,75 liegen; die Zusammensetzung kann darüber hinaus eine Phosphorkonzentration p aufweisen und die Konzentration y ist dann in etwa gleich 1-z-p. Die Zusammensetzung der aktiven Schicht kann dann in der konventionellen Notation als In_1-xGa_xAs_yN_zP_p bezeichnet werden, wenn die aktive Schicht keine zusätzlichen Legierungskomponenten aufweist.
Das Hinzufügen von Phosphor ist optional und kann als ein Element zur Feinabstimmung dienen (ein Kompromiß in der Zugspannung und der gewünschten Betriebswellenlänge), insbesondere für Anwendungen, welche eine genaue Steuerung der Spannung erfordern, z.B. optische Halbleiterverstärker.
Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung ein Laser, die Zusammensetzung kann so angepaßt werden, daß die aktive Schicht eine Zugspannung etwa zwischen 1% und 2,2% aufweist.
Dieser Bereich an Zugspannung ist ideal zum Erhöhen der thermischen Leistungsfähigkeit des Lasers.
Darüber hinaus macht sie es möglich, einen Emissionsmodus zu begünstigen, der rein transversal-magnetisch TM ist, oder sogar davon zu profitieren.
Gemäß einem vorteilhaften Merkmal kann die Zusammensetzung so eingestellt werden, daß die aktive Schicht eine Energiedifferenz zwischen der Mitte des Schwerlochbandes und der Mitte des Leichtlochbandes aufweist, welche größer oder gleich 40 meV ist und bevorzugt größer oder gleich 50 meV.
Dies ergibt einen besseren Schutz gegen thermische Erregung durch Begrenzen der Besetzung des ersten Niveaus an Schwerlöchern und macht es möglich, reine TM-Emissionsmode zu stabilisieren. Wir verringern daher das Risiko einer TE-TM-Mischung und ihres nachteiligen Effekts auf die Leistungsfähigkeit.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann ein Halbleiterverstärker sein, in welchem Fall die Zusammensetzung der aktiven Schicht so angepaßt ist, daß die aktive Schicht eine Zugspannung aufweist, die in etwa um 0,15% in bezug auf den Zustand dieser Schicht, welcher einer Kreuzung der Mitte des Schwerlochbandes und der Mitte der Leichtlochbandes entspricht, verschoben ist.
Wenn diese Schicht massiv ist, wird ein Kreuzen bei null Spannung bewirkt, und wenn die Schicht Quantentöpfe aufweist, wird die Kreuzung in einem Zustand unter Zugspannung bewirkt.
In einer Ausführungsform der Erfindung, wenn die aktive Schicht Quantentöpfe aufweist, ist die Dicke der aktiven Schicht geringer als die kritische Dicke.
Die kritische Dicke ist als die Dicke definiert, ausgehend von der der Laser die Grenze an elastischer Relaxation erreicht: eine kristallografische Qualität wird lokal nicht mehr sichergestellt (Dislokationen, Punktdefekte).
Die Dicke der Quantentopfschicht muß ausreichend sein, so daß sie homogen ist, z. B. größer als 5 nm. Darüber hinaus ist es unter einer bestimmten Dicke, im allgemeinen in der Größenordnung von ungefähr 20 nm, schwierig, den gewünschten Quanteneffekt zu erhalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind, wenn die aktive Schicht Quantentöpfe aufweist, und zwischen zwei Barriereschichten angeordnet ist, diese Barriereschichten aus einer Halbleiterlegierung, welche aus einer Legierung basierend auf Aluminium, Indium und Arsen, einer Legierung basierend auf Indium, Arsen und Phosphor oder einer Legierung basierend auf Indium, Arsen, Phosphor und Gallium, ausgewählt ist.
Vorzugsweise können, wenn die aktive Schicht Quantentöpfe aufweist und zwischen zwei Barriereschichten angeordnet ist, wobei die Schicht eine gegebene Zugspannung aufweist, die Barriereschichten aus einem Halbleitermaterial bestehen, so daß die letztere eine Druckspannung aufweist, die in etwa gleich dieser Zugspannung ist, um die mechanischen Effekte zu kompensieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung, welche auf veranschaulichenden und nicht beschränkenden Beispielen beruht, deutlich und sie bezieht sich auf die angehängten Zeichnungen, in denen:
1 schematisch eine laterale Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
2 ein Diagramm mit einem Netzwerk von Kurven ist, welche die Erfindung darstellen, mit dem Grad an Zugspannung einer aktiven Quantentopfschicht auf der Abszisse und der Betriebswellenlänge auf der Ordinate.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt schematisch eine nicht maßstäbliche laterale Querschnittsansicht eines Halbleiterlasers 100 in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Dieser Halbleiterlaser 100 ist ein Beispiel für eine vertikale Struktur des pn-BH-Typs (BH: vergrabene Heterostruktur bzw. Buried Heterostructure), die auch als Typ vergrabener Heteroübergang mit p-n-Blockierschichten beschrieben werden kann.
Diese vertikale Struktur weist ein Substrat 1 basierend auf n-dotiertem Indiumphosphid InP auf, welches auf einer unteren Fläche 1a mit einer unteren metallischen Elektrode EL1 abgedeckt ist und auf der anderen oberen Fläche 1b mit einem Stapel von Halbleiterschichten, die durch Epitaxie z. B. durch MOVPE (metallo organic vapour phase epitaxy) oder durch MBE (molecular beam epitaxy) hergestellt wurden, und, falls notwendig, durch einen Ätzschnitt.
Der Stapel weist ausgehend von der oberen Fläche 1b in dieser Reihenfolge auf:

– eine untere Mantelschicht 2 aus n-dotiertem InP,
– eine Mehrfachschicht 3 mit:
– einer aktiven Quantentopfschicht 32 aus In_1-xGa_xAs_yN_zP_p wobei x ≥ 0,48, y ≤ 1-z-p, z ≤ 0,05, p ≥ 0, wobei die Dicke vorzugsweise geringer ist als die kritische Dicke, mit einer Zugspannung vorzugsweise etwa zwischen 1% und 2,2% und vorzugsweise mit Elh-Ehh ≥ 50 meV,
– zwei Barriereschichten 31, 33 auf jeder Seite der aktiven Schicht 32 aus einer Legierung z. B. basierend auf Al_xIn_1xAs, In_xGa_1-xAs_yP_1-y und die vorzugsweise eine Druckspannung aufweist, die in etwa gleich der Zugspannung ist,
– einer oberen Mantelschicht 4 aus p-dotiertem InP, wobei diese letzten drei Schichten einen Stegwellenleiter WG bilden mit einer ersten Blockierschicht 5 aus p-dotiertem InP auf jeder Seite, welche durch eine zweite Blockierschicht 5' aus n-dotiertem InP abgedeckt ist,
– einer weiteren Schicht 6 aus p-dotiertem InP,
– einer Kontaktschicht 7 aus p⁺-dotiertem InGaAs,
– und einer oberen metallischen Elektrode EL2.

Der Laser 100 ist z. b. ein Hochtemperatur-Dauerstrichlaser, welcher in der Lage ist, in dem C-Band oder in dem L-Band zu arbeiten.
In einer Variante weist die aktive Schicht 3 eine Mehrzahl von identischen Qauntentopfschichten auf.
Sechs Beispiele für aktive Schichten mit einer Quantentopfstruktur zwischen zwei Barriereschichten für einen integrierten oder kontinuierlich modulierten Laser sind nachfolgend gegeben.
Beispiel 1
Die Quantentopfschicht besteht aus In_0,4Ga_0,6As_0,995N_0,005 mit einer Dicke, die z. B. so gewählt ist, daß sie 14 nm beträgt. Die Betriebswellenlänge beträgt 1,55 µm. Die Quantentopfschicht hat eine Zugspannung von ungefähr 1%.
In dem Beispiel bestehen die Barriereschichten aus Al_0,31In_0,69As und haben eine Dicke von gleich etwa 10 nm.
Beispiel 2
Die Quantentopfschicht besteht aus In_0,38Ga_0,62As_0,99N_0,01, wobei die Dicke so gewählt ist, daß sie z. B. 10 nm beträgt. Die Betriebswellenlänge beträgt 1,55 µm. Die Quantentopfstruktur hat eine Zugspannung von ungefähr 1,25%.
In dem Beispiel bestehen die Barriereschichten aus Al_0,31In_0,69As und haben eine Dicke von etwa gleich 10 nm.
Beispiel 3
Die Quantentopfstruktur besteht aus In_0,4Ga_0,6As_0,99N_0,01, wobei die Dicke so gewählt ist, daß sie z. B. 14 nm beträgt. Die Betriebswellenlänge beträgt 1,60 µm. Die Quantentopfstruktur hat eine Zugspannung von ungefähr 1,1%.
In dem Beispiel bestehen die Barriereschichten aus Al_0,31In_0,69As und haben eine Dicke von etwa gleich 10 nm.
Beispiel 4
Die Quantentopfschicht besteht aus In_0,35Ga_0,65As_0,99N_0,01, wobei die Dicke so gewählt ist, daß sie z. B. 12 nm beträgt. Die Betriebswellenlänge beträgt 1,56 µm. Die Quantentopfschicht hat eine Zugspannung von ungefähr 1,5%.
Beispiel 5
Die Quantentopfschicht besteht aus In_0,25Ga_0,75As_0,985N_0,015, wobei die Dicke so gewählt ist, daß sie z. B. 10 nm beträgt. Die Betriebwellenlänge beträgt 1,55 µm. Die Quantentopfschicht hat eine Zugspannung von ungefähr 2,2%.
In dem Beispiel bestehen die Barriereschichten aus Al_0,31In_0,69As und haben eine Dicke von ungefähr gleich 10 nm.
Beispiel 6
Die Quantentopfschicht besteht aus In_0,4Ga_0,6As_0,985N_0,015, wobei die Dicke so gewählt ist, daß sie z. B. gleich 12 nm beträgt. Die Betriebswellenlänge beträgt 1,63 µm. Die Quantentopfschicht hat eine Zugspannung von ungefähr 1,2%.
In dem Beispiel bestehen die Barriereschichten aus Al_0,31In_0,69As und haben eine Dicke von ungefähr gleich 10 nm.
Diese Beispiele 1 bis 6 zeigen die Konstruktionsregeln für die aktiven Strukturen von Quantentopflasern unter Zugspannung, welche bei 1,55 µm und darüber emittieren. Außer der Tatsache, daß die hohe Konzentration an Gallium und das Hinzufügen eines geringen Teils an Stickstoff nur der Art sind, daß eine Emission in Frequenzbändern erhalten wird, die für optische Fasertelekommunikation verwendet werden können, zeigen diese Lasereigenschaften eine wünschenswerte Verbesserung ihrer optoelektronischen und thermischen Charakteristiken.
T₀ und T₁ werden signifikant größer und erreichen Werte größer als oder gleich 70 K bzw. größer als oder gleich 150 K: Die differentielle Verstärkung wird um mindestens 30% erhöht.
Die Erfindung schlägt eine breite Auswahl an Zusammensetzungen für die aktive Schicht beispielsweise mit Quantentöpfen vor. In dieser Konfiguration werden die Barriereschichten gewählt und die Dicken und Konzentrationen an Gallium und Stickstoff werden angepaßt, bis die gewünschte Wellenlänge erhalten wird, vorzugsweise in dem Zugspannungsbereich zwischen 1 und 2,2%.
Die Erfindung macht es darüber hinaus möglich, einen SOA herzustellen, der am oberen Ende des C-Bandes oder im L-Band arbeitet, was bis heute nicht erreicht wurde.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung ist für einen SOA geeignet mit der Ausnahme der Unterschiede, daß die aktive Schicht aus einem massiven Material bestehen kann und dann, daß die Dicken zwischen 50 nm und 150 nm liegen und daß die Zusammensetzung wie nachfolgend beschrieben angepaßt wird.
Ein SOA wird vorzugsweise konstruiert, wobei die Verstärkung gleich zwischen TM- und TE-Moden aufgeteilt ist. Um die Gesamtverstärkung auf diese beiden Polarisationen aufzuteilen, ist es notwendig, die Differenz des optischen Confinement in einen Wellenleiter zwischen den TE- und den TM-Moden mit Hilfe einer aktiven Schicht zu kompensieren, welche eine Verstärkung von TM liefert, die größer ist als die von TE, was möglich gemacht wird durch die aktive Schicht unter Zugspannung gemäß der Erfindung.
Wenn es die Aufgabe ist, g_TM × ⌈_TM= g_TE × ⌈_TE, zu erreichen, wobei ⌈ dem Wellen-Confinementfaktor in der aktiven Schicht entspricht, wird eine Zusammensetzung gewählt mit einem Zugspannungsfaktor, der kleiner ist als in dem Fall eines Lasers.
In SOAs mit einer "massiven" aktiven Schicht zeigen die experimentellen Daten, daß ein TE-TM-Ausgleich mit einer Zugspannung in der Größenordnung von 0,15% erhalten wird. In dem Fall von aktiven Quantentopfschichten muß in einer ersten Näherung diese gleiche Differenz beachtet werden relativ zu dem Zustand einer aktiven Schicht, welche einer Kreuzung der Mitte des Schwerlochbandes und der Mitte des Leichtlochbandes entspricht.
Zwei Beispiele von Zusammensetzungen von aktiven Schichten für SOAs sind nachfolgend angegeben, eine mit einem Quantentopf und die andere massiv.
Beispiel 7
Die Quantentopfschicht besteht aus In_0,48Ga_0,52As_0,99N_0,01, wobei die Dicke z. B. so gewählt ist, daß sie 14 nm beträgt. Die Betriebswellenlänge (Maximum der Verstärkungsspitze) beträgt 1,64 µm. Die Quantentopfschicht hat eine Zugspannung von ungefähr 0,5%.
In dem Beispiel bestehen die Barriereschichten aus Al_0,31In_0,69As und die Dicke ist ungefähr gleich 10 nm.
Beispiel 8
Die massive Schicht besteht aus In_0,51Ga_0,49As_0,99N_0,01, wobei die Dicke so gewählt ist, daß sie z. B. 50 nm beträgt. Die Betriebswellenlänge beträgt 1,65 µm und ermöglicht es, das ganze L-Band abzudecken, ohne einen Kompromiß bei der Leistungsfähigkeit in Bezug auf die Verstärkung. Die Quantentopfschicht weist eine Zugspannung von ungefähr 0,35% auf.
2 ist ein Diagramm, welches die Erfindung darstellt, mit dem Grad an Zugspannung (Δa/a in%) einer aktiven Quantentopfschicht aus In_1-x'Ga_x'As_0,99N_0,01 auf der Abszisse und der Betriebswellenlänge (λ in µm) auf der Ordinate.
Dieses Diagramm zeigt eine Gruppe von sechs parallelen Kurven 10 bis 60, die als charakteristische Kurven bezeichnet werden und die einer aktiven Quantentopfschicht für einen Laser oder für einen SOA zugeordnet sind.
Jede charakteristische Kurve 10 bis 60 zeigt für eine gegebene Dicke gleich 8, 10, 12, 14, 16 bzw. 18 nm die Variation der Betriebswellenlänge als eine Funktion der Zugspannung und insbesondere als eine Funktion der Galliumkonzentration x' der aktiven Quantentopfschicht.
Eine Erhöhung der Konzentration x' wird durch eine Erhöhung des Grads an Spannung wiedergespiegelt.
In diesem Beispiel bestehen die Barriereschichten aus Al_0,31In_0,69As und weisen eine Dicke auf, die ungefähr gleich 10 nm beträgt.
Eine erste Kurve A bezeichnet die Grenze, von der ausgehen bei einer Bewegung von links nach rechts, der Zustand der transversal-elektrischen (TE) Polarisation der emittierten Welle weniger bevorzugt oder sogar ausgelöscht ist relativ zu dem Zustand der transversal-magnetischen (TM) Polarisation.
Insbesondere entspricht diese Kurve A in dem Fall einer Quantentopfschicht der Kreuzung zwischen den Leichtloch- und Schwerlochbändern.
In dem Fall eines Lasers neigt die entsprechende Besetzung der Schwerloch- und Leichtlochbänder sowie die mit der Asymmetrie des Wellenleiters verbundene Modenfilterung dazu, ein Schweben zwischen den Moden TE und TM zu vermeiden, welches von den beiden Schwerloch- bzw. Leichtlochbändern herrührt.
Diese erste Kurve A kreuzt daher die charakteristischen Kurven 10 bis 60 in einem Satz von Schnittpunkten A1 bis A6, welche Wertekonzentrationen x definieren, die vorzugsweise unteren Konzentrationsgrenzen entsprechen. Daher ist z. B. x' = 0,53 für A1, x' = 0,51 für A3 und x' = 0,49 für A6.
Die zweite Kurve B bezeichnet die Grenze, ausgehend von der eine Quantentopfstruktur eine Energiedifferenz zwischen der Mitte des Schwerlochbandes und der Mitte des Leichtlochbandes in der Größenordnung von 50 meV (rechte Seite der Kurve B) zeigt oder in der Größenordnung von 2 kT.
Insbesondere machen es diese Differenz und das Modenfiltern möglich, eine reine TM-Mode für die Laser zu erhalten.
Die zweite Kurve B kreuzt daher die charakteristischen Kurven 10 bis 60 in einem Satz von Schnittpunkten B1 bis B6, welche Konzentrationswerte x' definieren.
Daher ist z. B. x' = 0,635 für B1 und x' = 0,61 für B3.
Die ersten und zweiten Kurven A und B werden aus einem mathematischen Modell von Bandstrukturen erhalten, das in "Theoretical threshold lowering of compressively strained InGaAs/InGaAsP und GaInAsP/GaInAsP quantum-well lasers" J. Barrau et al., Electronics Letters 12. März 1992, Band 28, Nr. 6, Seiten 551-553, beschrieben ist.
Da es der Stand der Technik nicht ermöglicht, den Fall von InGaAsN-Legierungen in dem Modell zu berücksichtigen, wurde das Diagramm in 2 durch Verschieben der Ergebnisse einer Berechnung für einen Topf in InGaAs und einer Barriere in InAlAs um einen Betrag gleich der Verschiebung an Spannung und bei der Wellenlänge erhalten, die experimentell für Proben beobachtet wurden, in denen der Topf aus InGaAsN besteht.
In dem Fall aus 2 beträgt die Konzentration an N 0,01. Natürlich sind die Daten in 2 indikativ.
Eine dritte Kurve C zeigt die Grenze, ausgehend von der die Schicht eine schlechte Qualität aufweist (rechte Seite von Kurve C).
Diese dritte Kurve C kreuzt daher die charakteristischen Kurven 20 bis 60, welche mit den fünf größten Dicken verbunden sind, in einem Satz von Schnittpunkten C2 bis C6, die Werte der Konzentration x' definieren, die vorzugsweise den oberen Grenzwerten der Konzentration für Quantentopfschichten entsprechen.
Zum Beispiel ist x' = 0,73 für C3, x' = 0,70 für C4 und x' = 0,65 für C6.
Die kritische Dicke einer Quantentopfschicht hängt von dem Spannungsniveau (Unterschied in dem Gitterparameter) und der Dicke der in Rede stehenden Schicht ab. Die Kurve C zeigt die in dem Matthews-Blackslee-Modell berechnete Grenze: J.W. Matthews und A.E. Blakeslee, J. Crystal Growth, 27, 118 (1974); 29, 273 (1975); 32, 265 (1976).
Es ist zu beachten, daß die experimentelle Grenze von dieser berechneten Grenze abweichen kann und die bekannten Anwendungen zeigen, daß der begrenzende Schwellenwert im allgemeinen in dem Fall von Quantentopfstrukturen und Barrieren mit teilweise oder vollständig kompensierter Verspannung zurück zu höheren Spannungsniveaus gedrückt wird.
Daher liegt die Konzentration x vorzugsweise zwischen 0,5 und 0,75.
Die Zusammensetzungen in den zuvor erwähnten Beispielen 2, 3 und 4 für einen Laser sind in den charakteristischen Kurven 20, 40 bzw. 30 gezeigt und entsprechen den mit E2, E3 bzw. E4 bezeichneten Punkten.
Für eine gegebene Dicke und in diesem Beispiel für eine optimierte thermische Leistungsfähigkeit von Lasern ist der folgende entsprechende Bereich von Zusammensetzungen bevorzugt:

– bei 8 nm der Bereich an Zusammensetzung rechts von der Kurve B,
– zwischen 10 nm und 14 nm die Segmente B2C2, B3C3, B4C4,
– bei 16 oder 18 nm die Punkte links von der Kurve C.

Darüber hinaus werden vorzugsweise Zusammensetzungen auf der rechten Seite der geraden Linie D mit der Gleichung Da/a = 1% gewählt.
Die Zusammensetzung aus Beispiel 8 für einen SOA ist auf der charakteristischen Kurve 40 gezeigt und entspricht dem mit E8 bezeichneten Punkt.
Für einen SOA ist die Zusammensetzung der aktiven Schicht z. B. mit Quantentöpfen vorzugsweise auf einem der Segmente AiBi oder A6C6 bei 18 nm in 2 angeordnet, entsprechend der erforderlichen Wellenlängendomäne.
Natürlich wird die Auswahl an Zusammensetzungen enger mit der Erhöhung der Dicke und hin zu längeren Wellenlängen.
Im allgemeinen ist es für eine Quantentopfschicht möglich, einen Bereich an Wellenlängen abzudecken, der beispielsweise größer ist oder gleich 1,55 µm:

– durch Erhöhen der Dicke des Quantentopfs bei einer konstanten Stickstoffkonzentration,
– durch Erhöhen der Stickstoffkonzentration bei einer konstanten Dicke eines Quantentopfes.

Für eine Zusammensetzung mit einer bestimmten Konzentration an Gallium erzeugt eine Stickstoffkonzentration von 0,01 eine Verschiebung der Wellenlänge um ungefähr 0,1 µm relativ zu der gleichen Zusammensetzung ohne Stickstoff sowie eine Erhöhung der Zugspannung um 0,2%.
Ähnlich bewirkt für eine Zusammensetzung mit einer bestimmten Konzentration an Gallium eine Stickstoffkonzentration von 0,02 eine Verschiebung der Wellenlänge um ungefähr 0,2 µm relativ zu der gleichen Zusammensetzung ohne Stickstoff sowie eine Erhöhung der Zugspannung von 0,4%.
Zusammenfassend stellt die Erfindung eine optische Halbleitervorrichtung (100), wie z. B. einen Laser oder einen optischen Halbleiterverstärker (SOA) bereit, basierend auf einem Indiumphosphidsubstrat (1) oder einer äquivalenten Pufferschicht. Die aktive Schicht (32) der Vorrichtung basiert auf einer konventionellen InGaAs(P)-Legierung, enthält aber zusätzlich N, um die Betriebswellenlänge auf mehr als 1,5 μm zu erhöhen, vorzugsweise auf eine Wellenlänge, welche in dem C- oder L-Band liegt. Die Zusammensetzung der aktiven Schicht muß daher mit In_1-xGa_xAs_yN_zP_p bezeichnet werden, mit x ≥ 0,48, y ≤ 1-z-p, z ≤ 0,05, p ≥ 0. Die aktive Schicht kann einen Quantentopf oder Mehrfachquantentöpfe aufweisen, in welchem Fall ihre Dicke vorzugsweise geringer ist als die kritische Dicke für eine Gitterrelaxation. In anderen Ausführungsformen ist die aktive Schicht eine "massive" Schicht mit quasi-ausgedehnten Eigenschaften. Die aktive Schicht kann vorteilhafterweise unter Zugspannung stehen, vorzugsweise ungefähr zwischen 1% und 2,2%, so daß die Leicht- und Schwerlochbänder beeinfußt werden. Die aktive Schicht ist typischerweise von Barriereschichten (31, 33) umgeben, die aus einer geeigneten Halbleiterlegierung, wie z. B. AlInAs oder InGaAs(P) hergestellt sind.

Claims

Optische Halbleitervorrichtung (100) mit: einem Substrat (1), basierend auf Indiumphosphid, einer aktiven Schicht (32), die eine für eine Betriebswellenlänge größer als 1,5 µm abgestimmte Zusammensetzung aufweist, mit: einer Galliumkonzentration x, einer Indiumkonzentration 1-x, einer Stickstoffkonzentration z weniger oder gleich 0,05 und einer Arsenkonzentration y, wobei y ungefähr gleich 1-z ist und dadurch gekennzeichnet, daß die Galliumkonzentration x größer oder gleich 0,48 ist.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht einen Quantentopf aufweist.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stickstoffkonzentration z zwischen 0,005 und 0,02 liegt.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht massiv ist.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stickstoffkonzentration z zwischen 0,005 und 0,01 liegt.
Optische Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Galliumkonzentration x zwischen 0,5 und 0,75 liegt.
Optische Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der aktiven Schicht darüber hinaus eine Phosphorkonzentration p aufweist, wobei die Arsenkonzentration y ungefähr gleich 1-z-p ist.
Optische Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Laser ist.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung so ist, daß die aktive Schicht eine Zugspannung von ungefähr zwischen 1% und 2,2% aufweist.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung so ist, daß die aktive Schicht eine Energiedifferenz zwischen der Mitte des Schwerlochbandes und der Mitte des Leichtlochbandes aufweist, die größer als oder gleich 40 meV ist.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung so ist, daß die aktive Schicht eine Energiedifferenz zwischen der Mitte des Schwerlochbandes und der Mitte des Leichtlochbandes aufweist, die größer als oder gleich 50 meV ist.
Optische Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Halbleiterverstärker ist.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung so ist, daß die aktive Schicht eine Zugspannung aufweist, die etwa um 0,15% relativ zu dem Zustand der aktiven Schicht verschoben ist, was einem Kreuzen der Mitte des Schwerlochbandes und der Mitte des Leichtlochbandes entspricht.
Optische Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 oder einem der Ansprüche 6 bis 13, wenn diese von Anspruch 2 oder 3 abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der aktiven Schicht weniger ist als die kritische Dicke.
Optische Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht zwischen zwei Barriereschichten (31, 33) eingefügt ist, die aus einer Halbleiterlegierung, basierend auf Aluminium, Indium und Arsen (AlInAs), hergestellt sind.
Optische Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht zwischen zwei Barriereschichten (31, 33) eingefügt ist, die aus einer Halbleiterlegierung, basierend auf Indium, Arsen und Phosphor (InAsP), hergestellt sind.
Optische Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht zwischen zwei Barriereschichten (31, 33) eingefügt ist, die aus einer Halbleiterlegierung, basierend auf Indium, Gallium, Arsen und Phosphor (InGaAsP), hergestellt sind.
Optische Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Schicht unter Zugspannung steht und zwischen zwei Barriereschichten unter Druckspannung, die in etwa gleich der Zugspannung der aktiven Schicht ist, eingefügt ist.