DE69429701T3 - Halbleiterschichtstruktur mit verteilter Verspannung - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschichtaufbau mit verteilter Verspannung.
  • Bekannte verspannte Gitter- oder Übergitterstrukturen beinhalten eine Vielzahl von Arten von Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Gitterkonstanten, die mit in den Schichten belassenen inneren Verspannungen geschichtet werden. Techniken zur Verwendung der verspannten Gitter in einer optischen Vorrichtung wie etwa einem Halbleiterlaser oder einem optischen Halbleiterverstärker wurden vorgeschlagen, und die Verwendung dieser Techniken verbessert die Leistungsfähigkeit verschiedener Vorrichtungen.
  • Wenn jedoch Verspannung in die Halbleiterschicht eingeführt wird, um das verspannte Gitter zu erzielen, ist es jedoch nötig, die Einführung von Gitterfehlern zu vermeiden. Aus diesem Grunde ist die Dicke, bis zu der das verspannte Gitter aufgebaut werden kann, beschränkt. Dies wird eine kritische Dicke genannt. Die kritische Dicke wurde theoretisch und experimentell untersucht, wie bspw. in Matthew et al.: "Journal of Crystal Growth", Bd. 27 (1974) Seite 118, und in Fox et al.: "Journal of Crystal Growth", Bd. 109 (1991) Seite 252, angegeben ist.
  • Falls das verspannte Gitter über die kritische Dicke hinaus geschichtet wird, beginnt eine teilweise Entspannung der Verspannung durch das Auftreten von Gitterfehlern. Falls die Schichtdicke erhöht wird, wird die Verspannung vollständig entspannt. Als Folge ergibt sich die für die geschichtete Halbleiterschicht angemessene Gitterkonstante und die Verspannung verschwindet.
  • Auf einem technischen Gebiet, in dem Verspannung eine gewünschte Eigenschaft ist, muss daher eine Halbleiterschicht mit Verspannung typischerweise eine maximale Dicke unterhalb der kritischen Dicke aufweisen. Zudem verringert sich die kritische Dicke mit steigender Gitterfehlanpassung zwischen den Schichten, was zu einem größeren Ausmaß an Verspannung führt. Daher ist die Verwendung von verspannten Gittern auf relativ dünne Schichten beschränkt, und sie werden im Allgemeinen in Verbindung mit einer Quantentopfstruktur verwendet. Ein verspanntes Gitter kann als eine Topfschicht, eine Barriereschicht oder eine Multischicht verwendet werden, bei der jene Topfschichten und Barriereschichten alternierend angeordnet sind.
  • Gemäß vorstehender Beschreibung wurde selten eine Dicke Schicht mit darin existierender Verspannung aufgebaut, und die Verwendung einer derartigen Schicht wurde nicht in Erwägung gezogen.
  • Ferner wird gewürdigt, dass die Druckschrift US-5 159 603 einen oberflächenabstrahlenden Halbleiterlaser mit einer verspannten oder pseudomorphischen Heterostruktur mit separaten Einschluss und Indexgradienten (GRINSCH) und einem eingebauten Einzelquantentopf (SQW) als aktiver Schicht offenbart, wobei die Gitterfehlanpassung durch eine elastische Deformation des Gitters untergebracht ist.
  • Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Schichtaufbauvorrichtung bereit zu stellen, in die eine Verspannung eingeführt wird, und die eine relativ große Dicke aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gegenstand der beigefügten unabhängigen Patentansprüche gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den beigefügten abhängigen Patentansprüchen angeführt.
  • Einzelheiten der Erfindung sind aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung näher ersichtlich.
  • 1 zeigt Gitterabstände eines Halbleiterschichtaufbaus gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2 zeigt Gitterabstände eines Halbleiterschichtaufbaus gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines die Erfindung beinhaltenden Halbleiterlasers.
  • 4a zeigt erfindungsgemäße TE- und TM-Lichteinschnürungsspektren.
  • 4b zeigt ein Bänderdiagramm des erfindungsgemäßen Energielückenverlaufs.
  • 5 zeigt eine graphische Darstellung eines Beispiels für die Verspannungsverteilung in einer Heterostrukturschicht mit separatem Einschluss und Indexgradienten (GRIN-SCH).
  • 6 zeigt eine graphische Darstellung der kritischen Dicke einer einzelnen verspannten Schicht.
  • 7 zeigt eine graphische Darstellung eines weiteren Beispiels einer Verspannungsverteilung in einer GRIN-SCH-Schicht.
  • 8 zeigt eine graphische Darstellung eines weiteren Beispiels einer Verspannungsverteilung in einer GRIN-SCH-Schicht.
  • 9 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäß aufgebauten optischen Halbleiterverstärkungseinrichtung.
  • 10 zeigt eine Schnittansicht der Anordnung einer optischen Halbleiterverstärkungseinrichtung in einem optischen System.
  • 11a zeigt erfindungsgemäße TE- und TM-Lichteinschnürungsspektren.
  • 11b zeigt ein Bänderdiagramm des erfindungsgemäßen Energielückenverlaufs.
  • Die 1 und 2 zeigen die Gitterabstände eines gemäß dem ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgebauten Halbleitermaterials. Bei den 1 und 2 bezeichnen die Bezugszeichen 1 bzw. 1' eine erste Halbleiterschicht, die jeweils homogene Gitterabstände aufweist, und die Bezugszeichen 2 bzw. 2' bezeichnen eine zweite Halbleiterschicht mit nicht homogenen Gitterabständen. Die zweite Halbleiterschicht 2 aus 1 weist einen Gitteraufbau auf, bei dem sich das Ausmaß an Verspannung über die Schichtdicke gradientenartig verändert. Das Ausmaß an Verspannung ist an der Grenze B zwischen der zweiten Halbleiterschicht 2 und der ersten Halbleiterschicht 1 aufgrund der größeren Gitterfehlanpassung am größten. Bei 2 verändert sich das Ausmaß an Verspannung in der zweiten Halbleiterschicht 2' in Richtung der Schichtdicke stufenartig, in dem abwechselnde verspannte und nicht verspannte Bereiche innerhalb der zweiten Halbleiterschicht 2' aufgebaut sind. Auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist das Ausmaß an Verspannung an der Grenze B' zwischen der zweiten Halbleiterschicht 2' und der ersten Halbleiterschicht 1' am größten. Unter Verwendung derartiger Strukturen kann eine relativ dicke verspannte Schicht ausgebildet werden, ohne dass Gitterfehler eingeführt werden.
  • Beispiele, bei denen diese Gitterstrukturen auf optische Vorrichtungen angewendet werden, werden nachstehend beschrieben.
  • Bei den 3 bis 5 ist ein Halbleiterlaser mit dem vorstehend beschriebenen verspannten Schichtaufbau aufgebaut, die als Lichteinschnürschicht verwendet wird. 3 zeigt den Schichtaufbau des Halbleiterlasers, die 4a und 4b zeigen die Art der Lichteinschnürung und die Bandstruktur der Schicht, und 5 zeigt die Verteilung der Verspannung oder der verteilten Verspannung in einer Schicht mit Indexgradienten (GRIN).
  • Bei 3 sind auf einem (100)-orientierten kristallinen Substrat 3 aus n-GaAs eine n-GaAs-Pufferschicht 4 mit einer Dicke von 1 μm, einer n-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 5 mit einer Dicke von 1, 5 μm, eine AlXGa1-xAs1-yPy-GRIN-Schicht 6 (x = 0,5, y = 0 → x = 0,18, y = 0,25) mit einer Dicke von 30 nm, eine Al0,18Ga0,82As-Barrierenschicht 7 mit einer Dicke von 12 nm, eine GaAs-Topfschicht 8 mit einer Dicke von 6 nm, eine Al0,18Ga0,82As-Barrierenschicht 9 mit einer Dicke von 12 nm, eine AlxGa1-xAs1-yPy-GRIN-Schicht 10 (x = 0,18, y = 0,25 → x = 0,5, y = 0) mit einer Dicke von 30 nm, einer p-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 11 mit einer Dicke von 1,5 μm sowie eine p-GaAs-Abdeckschicht 12 mit einer Dicke von 0,5 μm in dieser Reihenfolge unter Verwendung eines metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidungsverfahren (MOCVD) ausgebildet.
  • Sodann wird ein Ätzvorgang bis zur Hälfte durch die p-Al0,5Ga0,5As-Mantelschicht 11 durchgeführt, wobei ein ansteigender Streifenabschnitt mit einer Breite von 3 μm verbleibt (dessen rechte Hälfte in 3 gezeigt ist). Nachdem eine isolierende Schicht 13 aus Siliziumnitrid über die gesamte Oberfläche abgeschieden wurde, wird die isolierende Schicht auf der Streifenoberfläche entfernt. Weiterhin wird eine obere Elektrode 14 aus Au-Cr abgeschieden, und eine untere Elektrode 15 aus Au-Ge wird auf der Grundoberfläche des Substrates 3 abgeschieden. Der Wafer wird in eine allgemein rechteckige Gestalt mit einer Länge von 300 μm entlang einer zu der Erstreckungsrichtung des Streifens senkrechten Richtung zerteilt.
  • Nachstehend wird die Oszillationsmode der derart hergestellten Vorrichtung beschrieben. Gemäß den 4a und 4b umfasst die Vorrichtung eine Quantentopfstruktur 7, 8 und 9, die eine Degeneration der Energieniveaus der schweren Löcher (HH) und der leichten Löcher (LH) verursacht, so dass dessen Valenzband verringert ist. Somit ist im Valenzband der Topfschicht 8 die Lage des Energieniveaus der HH höher als die des Energieniveaus der LH. Daher trägt der Übergang zwischen 1e (ein Grundniveau der Elektronen im Leitungsband) und 1HH (ein Grundniveau der schweren Löcher in dem Valenzband) am meisten zur Oszillation bei. Somit ist der Verstärkungskoeffizient gTE des transversal elektrischen Lichtes (TE) größer als der Verstärkungskoeffizient gTM des transversal magnetischen Lichtes (TM).
  • Der Lichteinschnürfaktor Γ ist auf Grund der verspannten GRIN-SCH-Schichten 6 und 10 für TE-Licht ebenfalls erhöht, was Merkmale des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind. Bei der Energieverteilung für schwere Löcher ist insbesondere deren Bandlücke aufgrund von durch Gitterfehlanpassung eingeführter biaxialer Zugverspannung verbreitert. Folglich ist der Brechungsindex des Bereiches um den aktiven Bereich 8 für TE-Licht verringert, und die Differenz im Brechungsindex für den Lichteinschnürfaktor ΓTE für TE-Licht wird groß. Umgekehrt ist die Bandlücke für leichte Löcher verschmälert und die Differenz bei dem Brechungsindex für den Lichteinschnürfaktor ΓTM für TM-Licht ist verringert. Obwohl eine leichte Differenz bei dem Zusammenhang zwischen ΓTE und ΓTM (ΓTE > ΓTM) bei einer bekannten nicht verspannten GRIN-SCH-Struktur beobachtet wurde, wird daher die Differenz zwischen den Lichteinschnürfaktoren für TE- und TM-Licht durch den Aufbau des vorliegenden Ausführungsbeispieles weiter erhöht.
  • Die Oszillationsverstärkung G hängt hauptsächlich von dem Produkt des Verstärkungskoeffizienten g mit dem Lichteinschnürfaktor Γ ab. Bei einer erfindungsgemäß aufgebauten Vorrichtung ist die Oszillationsverstärkung für TE-Licht typischerweise sehr viel größer als für TM-Licht (ΓTEgTE >> gTMΓTM) . Eine steigende Verstärkung erlaubt eine Reduktion des Oszillationsschwellenwertes sowie eine Unterdrückung der Komponente der verstärkten spontanen Emission (ASE) von TM-Licht. Daher kann die Modulationscharakteristik der Vorrichtung durch Verbesserung der zu bevorzugenden TE-Oszillationscharakteristik verbessert werden.
  • Nachstehend wird die verspannte GRIN-SCH Struktur 6 und 10 der vorliegenden Vorrichtung näher beschrieben. Die Verteilung der Verspannung für den Erhalt des Energiebandes gemäß 4b ist in 5 gezeigt. Die durchgezogene Linie stellt das Ausmaß der Verspannung dar, das entlang der Richtung der Schichtdicke von der Grenze mit der Barrierenschicht 7 oder 9 (bei der Schichtdicke = 0 nm) zu der Grenze mit der Mantelschicht 5 oder 11 (bei der Schichtdicke = 30 nm) variiert. Das Ausmaß der Verspannung ist an den Grenzen mit den Barrierenschichten 7 oder 9 am Größten anzusehen und vermindert sich gradientenartig auf null (0), bei einer Dicke von 30 nm. Eine derartige Variation in der Verspannung kann durch Veränderung des Molbruchteils von P erhalten werden. Vorzugsweise wird der Molbruchteil von P von 0,25 auf 0 linear reduziert. Da jedoch die Bandlücke verringert wird, falls der Molbruchteil von P reduziert wird, wird der Molbruchteil von Al entsprechend von 0,18 bis 0,5 erhöht, so dass der in 4b gezeigte Bandverlauf erzielt werden kann, während das Ausmaß der Verspannung bei den gewünschten Werten aufrecht erhalten wird. Der Schichtaufbau gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist für die Erhöhung des TE- Lichteinschnürfaktors ΓTE effektiv, indem relativ dicke (30 nm) verspannte GRIN-Schichten aufgebaut werden, ohne Kristallfehler einzuführen.
  • 6 zeigt eine graphische Darstellung der kritischen Dicke für eine einzelne Schicht mit einem gegebenen homogenen Ausmaß an Verspannung. Diese graphische Darstellung zeigt eine Kurve (eine durchgezogene Linie), wie sie gemäß Fox et al.: "Journal of Crystal Growth", Band 109 Seite 252 (1991), analytisch erhalten wird, sowie deren durch y = 12,233·x–1,7334 repräsentierte Anpassungsfunktion (gestrichelte Linie). Gemäß dieser graphischen Darstellung wird die kritische Dicke mit steigendem Ausmaß der Verspannung kleiner und mit sinkendem Ausmaß an Verspannung größer. Der Aufbau einer Schichtdicke, die größer als die berechnete maximale Dicke ist, wird möglich, falls das Ausmaß an Verspannung von einem ersten Wert auf einen zweiten kleineren Wert verändert wird, bevor die kritische Dicke für den ersten Wert erreicht ist. Falls dieses Prinzip weiter ausgedehnt wird, kann eine Halbleiterschicht, deren Dicke unterhalb der kritischen Dicke bleibt, durch eine zweckmäßige Verteilung des Ausmaßes an Verspannung aufgebaut werden. Die in 5 gezeigte Verteilung der Verspannung ist ein Beispiel, welches diese Bedingung erfüllt.
  • Andere Beispiele für Verspannungsverteilungen, die eine relativ dicke Schicht erzielen können, ohne Gitterfehler einzuführen, sind in den 7 und 8 dargestellt.
  • 7 zeigt ein Beispiel, bei dem die Verspannungsverteilung durch eine quadratische Funktion angenähert ist. Bei diesem Beispiel wird die Verspannung in einem Bereich scharf verringert, in dem die Verspannung groß ist. In einem Bereich, in dem die Verspannung klein ist, wird die Verspannung allmählich vermindert. Ein größeres Ausmaß an Verspannung wird an dem Grenzabschnitt der Schicht bereit gestellt, und durch eine zweckmäßige Verminderung des Ausmaßes an Verspannung durch die Schicht kann die gesamte Schichtdicke ausgedehnt werden. Eine Funktion höherer Ordnung (d.h. mehr als quadratisch) kann für die Maximierung der Schichtdicke verwendet werden, indem die Verspannungsverteilung näher an die Kurve für die kritische Dicke angepasst wird.
  • 8 zeigt ein Beispiel, bei dem die Verspannungsverteilung auf stufenartige Weise bereit gestellt wird. Eine Verspannungsverteilung dieser Art kann bspw. durch die Gitterstruktur der in 2 gezeigten zweiten Halbleiterschicht 2' bereit gestellt werden. Bei dieser Struktur existieren Bereiche, deren Gitterkonstanten der des Substrats gleich sind, aber die Dicke dieser Bereiche ist gering. Verspannung kann nicht vollständig auf verspannte Bereiche oder Bereiche, deren Gitterkonstanten von der des Substrats verschieden sind, beschränkt werden. Obwohl sich die Verspannung in einem Bereich gleicher Gitterkonstante vermindern wird, wird daher die Verspannung bei einer stufenartigen Verspannungsverteilung in einem nächsten Bereich erneut wieder hergestellt, dessen Gitterkonstante von dem des Substrates verschieden ist. Die stufenartige Verspannungsverteilung gemäß dem Beispiel aus 8 erzielt im Allgemeinen die gleiche Schichtdicke wie die kontinuierliche Verspannungsverteilung gemäß 5.
  • Nachstehend wird ein Verfahren zur Bestimmung einer fehlerfreien Verspannungsverteilung beschrieben. Die in 6 gezeigte graphische Darstellung definiert die kritische Schichtdicke durch eine durch Fox et al. analytisch erhaltene Kurve. Diese Kurve wird durch eine Funktion y = 12,233·x–1,7334 oder Anpassungsfunktion) angenähert, wobei y die kritische Dicke für ein gegebenes Ausmaß an Verspannung x ist. Diese Funktion kann durch y·x2 = konstant angenähert werden. Aus diesem letztgenannten Ausdruck kann die kritische Dicke einer Schicht in Fällen vollständig vorhergesagt werden, bei denen die Verspannung durch die Schicht verteilt ist. Solange die Verspannungsverteilung die Beziehung
    Figure 00110001
    erfüllt, wird die kritische Dicke nicht überschritten werden, und eine fehlerfreie Schicht kann aufgebaut werden. Der Wert der Konstanten 12,2 hängt von dem geschichteten Material ab und kann sich daher verändern, wenn ein anderes Material verwendet wird.
  • Wenn sie auf lineare Verspannungsverteilungen angewendet wird, kann diese Funktion weiter vereinfacht werden. Wenn bspw. das durchschnittliche Ausmaß an Verspannung <x> beträgt und die kritische Dicke <d> beträgt, wenn die Verspannung <x> durch eine einzige Schicht erzeugt wird, ist es für den Aufbau einer fehlerfreien Schicht hinreichend, wenn
    Figure 00110002
    bleibt.
  • Für eine Verwendung der verspannten GRIN-Schicht als Lichteinschnürschicht ist eine Ausbildung von verspannungsverteilten Schichten auf beiden Seiten der Quantentopfstruktur vorzuziehen. Die Quantentopfstruktur muss hinreichend dick sein, damit die verspannten GRIN-Schichten auf beiden Seiten als voneinander unabhängig betrachtet werden können. Bei der Schicht gemäß 3 beträgt die Schichtdicke der Quantentopfstruktur vorzugsweise 30 nm, und dieser Wert wurde zur Erfüllung der vorstehenden Bedingung als hinreichend bestimmt. Falls die Quantentopfstruktur nicht hinreichend dick ist, muss die kritische Dicke als totale Schichtdicke mit der Quantentopfstruktur sowie den GRIN-Schichten auf beiden Seiten betrachtet werden. Daher kann das Ausmaß an Verspannung dabei nicht so weit erhöht werden, als wenn die Topfstruktur dicker wäre.
  • Gemäß vorstehender Beschreibung wird die erfindungsgemäße Schichtstruktur als GRIN-SCH-Schicht in der Schicht gemäß 3 verwendet, so dass der Oszillationsschwellenwert eines Halbleiterlasers reduziert und die Modulationscharakteristik für TE-Ausgangslicht verbessert werden kann.
  • Bei der vorstehenden Beschreibung wird ein Laser der sogenannten Fabry-Perot-Bauart bevorzugt, der als Reflexionsspiegel verwendete Endschliffflächen verwendet, aber die vorliegende Erfindung kann ebenso auf einen Laser der Bauart mit verteilter Rückkopplung (DFB) angewendet werden, der ein als Reflexionsspiegel dienendes Beugungsgitter aufweist. Wenn eine Rillenanordnung als Beugungsgitter verwendet wird, muss die Lage der Rillenanordnung vorsichtig bestimmt werden. Falls die Rillenanordnung zu der Lage der aktiven Schicht des Lasers abgewandt angeordnet ist, sind die reflektiven Eigenschaften des Spiegels für TE-Licht gegenüber jenen für TM-Licht unterlegen, und der Erhalt einer erwarteten TE-Oszillationsamplitude ist schwierig. Falls die aktive Schicht nahe bei der Rillenanordnung und der optischen Verteilung des ausgebreiteten TE-Lichts angeordnet ist, wird die Oszillationsmode von TE-Licht dominant, ähnlich dem Laser nach Fabry-Perot-Bauart. Bei einem verstärkungsgekoppelten Laser in DFB-Bauart, der bspw. keine Rillenanordnung aufweist, kann zudem der erfindungsgemäße Effekt in vollem Ausmaß erzielt werden.
  • Nachstehend wird ein erfindungsgemäßer optischer Halbleiterverstärker unter Bezugnahme auf die 9 bis 11 beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Verstärker so aufgebaut, dass die Polarisationscharakteristik der Lichteinschnürung eliminiert werden kann.
  • Gemäß 9 sind auf einem (100)-orientierten kristallinen Substrat 21 aus n-InP eine n-InP-Pufferschicht 22 mit einer Dicke von 1 μm, eine n-InGaAsP-Mantelschicht 23 mit einer Dicke von 1,5 μm (λg (eine der Bandlückenenergie entsprechende Wellenlänge) = 1,2 μm-Zusammensetzung), eine verspannte GRIN-Schicht 24 aus InGaAsP mit einer Dicke von 100 nm, eine InGaAsP-Barrierenschicht 25 mit einer Dicke von 20 nm (λg = 1,3 μm-Zusammensetzung), eine verspannte Topfschicht 26 aus In0,4Ga0,6As-mit einer Dicke von 4 nm, eine InGaAsP-Barrierenschicht 27 mit einer Dicke von 20 nm (λg = 1,3 μm-Zusammensetzung), eine verspannte GRIN-Schicht 28 aus InGaAsP mit einer Dicke von 100 nm, eine p-InGaAsP-Mantelschicht 29 mit einer Dicke von 1,5 μm (λg = 1,2 μm-Zusammensetzung), sowie eine p-In0,53Ga0,47As-Abdeckschicht 30 mit einer Dicke von 0,5 μm in dieser Reihenfolge durch MOCVD unter reduziertem Druck ausgebildet.
  • Eine isolierende Schicht 31 sowie eine obere Elektrode 32 sind in derselben in Zusammenhang mit 3 beschriebenen Weise ausgebildet, und eine gratartige Halbleiterlaserstruktur 34 wird hergestellt (vgl. 10). Ferner werden Antireflexionsbeschichtungen 35 auf den Endschliffflächen der Vorrichtung bereit gestellt, und optische Fasern 36 werden zum Eingeben bzw. Herausführen von Licht in und aus der Vorrichtung angeordnet.
  • Ein Ruhestrom unterhalb des Oszillationsschwellenwertes wird in die Vorrichtung injiziert, so dass der optische Halbleiterverstärker von außen eingegebenes Licht 37 verstärken kann und das verstärkte Licht als Ausgabe 38 zuführen kann. Wenn eine aktive Schicht mit der Quantentopfstruktur eines bekannten optischen Halbleiterverstärkers verwendet wird, tritt jedoch eine Polarisationsabhängigkeit der Verstärkung in der Vorrichtung auf und die Lichtausgangsleistung fluktuiert auf Grund einer während der Übertragung durch eine optische Faser verursachten Polarisationsfluktuation.
  • Bei dem Verstärker gemäß 9 wird eine Verspannung in die Topfschicht 26 der Quantentopfstruktur eingeführt, damit sich die HH- und LH-Energieniveaus einander annähern, wie es in 11b gezeigt ist. Somit wird die Polarisationsabhängigkeit der optischen Verstärkung im Wesentlichen eliminiert, und gleichzeitig wird die TE-gegen TM-Polarisationsabhängigkeit durch eine zweckmäßige Lichteinschnürung entfernt. Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 der verspannten GRIN-Schicht eine Zugspannung hinzugefügt wurde, wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 den verspannten GRIN-Schichten 24 und 28 eine Druckspannung zugewiesen. Daher ist die Brechungsindexdifferenz für die Lichteinschnürung eher für das TM-Licht größer ausgebildet, als für das TE-Licht. Da die Lichteinschnürung für das TE-Licht stärker ist, wenn keine Verspannung existiert, kann die Lichteinschnürung für TM-Licht der für TE-Licht gleich gemacht werden, falls das Ausmaß an Verspannung zweckmäßig ausgewählt wird, damit die HH-Valenzbandniveaus über die LH-Valenzbandniveaus in der GRIN-Schicht gehoben werden, wie es in den 11a und 11b dargestellt ist.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 ist eine Struktur beschrieben, welche die Polarisationsabhängigkeit der Verstärkung entfernt, aber es bieten sich auch andere Strukturen gleichermaßen an. Die optische Verstärkung für TE-Licht kann erhöht werden, falls keine Verspannung in die Topfschicht eingeführt wird, und ein bekannter Quantentopf verwendet wird. Das Ausmaß an Verspannung in der GRIN-Schicht kann bis zu dem Punkt erhöht werden, bei dem die Lichteinschnürung für TM-Licht die für TE-Licht überschreitet. Da die Verstärkung proportional zu dem Produkt aus optischer Verstärkung g und Lichteinschnürfaktor Γ ist, wird eine derartige Struktur unempfindlich gegenüber der Polarisation, falls die Bedingungen erfüllt sind, dass Γ·g für das TE-Licht gleich dem Γ·g des TM-Lichts ist.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß 9 verwendet eine Verspannungsverteilung gemäß einer in 7 gezeigten quadratischen Funktion. Im Vergleich zu einer stufenartigen Verteilung wird die Lichteinschnürung stärker bei einer quadratischen Verspannungsverteilungsfunktion, und somit wird die Struktur als optischer Verstärker zu einer bevorzugten. Obwohl Verspannung in die Topfschicht 26 der Quantentopfstruktur eingeführt wird, werden ferner die Barrierenschichten 25 und 27 hinreichend dick ausgebildet, so dass die Verspannungsverteilungen in den verspannten GRIN-Schichten 24 und 28 auf beiden Seiten unabhängig entworfen werden können.
  • Gemäß vorstehender Beschreibung kann erfindungsgemäß eine verspannte Schicht hergestellt werden, in die Verspannung gemäß einer Verteilung eingeführt wird, und die eine relativ große Dicke aufweist. Zudem kann die Ausgabecharakteristik einer optischen Halbleitervorrichtung zugeschnitten werden, indem diese verspannte Schichtstruktur darauf angewendet wird.
  • Es kann bspw. durch die Einführung von Verspannungen in eine Lichteinschnürungsschicht, insbesondere eine GRIN-SCH-Schicht, die nachstehenden Eigenschaften erhalten werden.
  • Bei einem Halbleiterlaser kann der Lichteinschnürfaktor von Oszillationsmoden erhöht werden, und dessen Oszillationsschwellenwert kann vermindert werden.
  • Bei einem optischen Halbleiterverstärker kann die Differenz bei dem Lichteinschnürfaktor zwischen TE-Licht und TM-Licht im Wesentlichen reduziert werden, und die Polarisationsabhängigkeit der Verstärkung kann entfernt werden. Während die Erfindung vorstehend bezüglich dessen beschrieben wurde, was derzeit als bevorzugte Ausführungsbeispiele betrachtet werden, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt zu verstehen. Die vorliegende Erfindung ist zur Abdeckung vieler Abwandlungen und äquivalenter Anordnungen gedacht, die in dem Bereich der beigefügten Patentansprüche beinhaltet sind.

Claims (6)

  1. Halbleiterschichtaufbau mit einer ersten Halbleiterschicht (1, 1', 7, 9, 25, 27) und einer zweiten Halbleiterschicht (2, 2', 6, 10, 24, 28), die benachbart und in Kontakt mit der ersten Halbleiterschicht (1, 1', 7, 9, 25, 27) an einer Grenze angeordnet ist, dabei weist die erste Halbleiterschicht (1, 1', 7, 9, 25, 27) eine einheitliche Gitterkonstante in ihrer Schichtungsrichtung auf, und die zweite Halbleiterschicht (2, 2', 6, 10, 24, 28) weist eine in ihrer Schichtungsrichtung variierende verteilte Gitterkonstante auf und ist auf Grund einer Differenz in den Gitterkonstanten zwischen der zweiten Halbleiterschicht (2, 2', 6, 10, 24, 28) und der ersten Halbleiterschicht (1, 1', 7, 9, 25, 27) verspannt, wobei die Verspannung in der zweiten Halbleiterschicht (2, 2', 6, 10, 24, 28) so gesteuert ist, dass keine Kristallfehler in der zweiten Halbleiterschicht auftreten, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verspannung in der zweiten Halbleiterschicht (2, 2', 6, 10, 24, 28) in deren Schichtungsrichtung mit steigendem Abstand von der Grenze mit der ersten Halbleiterschicht (1, 1', 7, 9, 25, 27) an linear vermindert, oder dass sich die Verspannung in der zweiten Halbleiterschicht (2, 2', 6, 10, 24, 28) in deren Schichtungsrichtung mit steigendem Abstand von der Grenze mit der ersten Halbleiterschicht (1, 1', 7, 9, 25, 27) an gemäß einer Funktion zumindest der zweiten Ordnung vermindert.
  2. Halbleiterschichtaufbau mit einer ersten Halbleiterschicht (1, 1', 7, 9, 25, 27) und einer zweiten Halbleiterschicht (2, 2', 6, 10, 24, 28), die benachbart und in Kontakt mit der ersten Halbleiterschicht (1, 1', 7, 9, 25, 27) an einer Grenze angeordnet ist, dabei weist die erste Halbleiterschicht (1, 1', 7, 9, 25, 27) eine einheitliche Gitterkonstante in ihrer Schichtungsrichtung auf, und die zweite Halbleiterschicht (2, 2', 6, 10, 24, 28) weist eine in ihrer Schichtungsrichtung variierende verteilte Gitterkonstante auf und ist auf Grund einer Differenz in den Gitterkonstanten zwischen der zweiten Halbleiterschicht (2, 2', 6, 10, 24, 28) und der ersten Halbleiterschicht (1, 1', 7, 9, 25, 27) verspannt, wobei die Verspannung in der zweiten Halbleiterschicht (2, 2', 6, 10, 24, 28) so gesteuert ist, dass keine Kristallfehler in der zweiten Halbleiterschicht auftreten, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Halbleiterschicht (2, 2', 6, 10, 24, 28) eine Vielzahl von ersten Bereichen mit jeweils im wesentlichen der gleichen Gitterkonstanten wie die erste Halbleiterschicht (1, 1', 7, 9, 25, 27) sowie eine Vielzahl von in alternativer Weise zwischen den ersten Bereichen angeordneten zweiten Bereichen mit stufenartig variierenden Gitterkonstanten beinhaltet, wobei die Gitterkonstante der zweiten Bereiche derart variiert, dass sich die Verspannung mit steigendem Abstand von der Grenze mit der ersten Halbleiterschicht an monoton vermindert.
  3. Halbleiterschichtaufbau nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verspannung in der zweiten Halbleiterschicht (6, 10) durch Zugspannung verursacht wird.
  4. Halbleiterschichtaufbau nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verspannung in der zweiten Halbleiterschicht durch Druckspannung verursacht wird.
  5. Halbleiterschichtaufbau nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Halbleiterschicht (6, 10, 24, 28) als Heterostruktur mit separatem Einschluss und Indexgradienten (GRIN-SCH) zur Lichteinschürung in einer optischen Halbleitervorrichtung wirkt, und die Verspannung einen Wert aufweist, so dass ein Lichteinschnürfaktor für transversal elektrisches Licht bereitgestellt wird, der in der GRIN-Schicht größer als der Lichteinschnürfaktor für transversal magnetisches Licht ist.
  6. Halbleiterschichtaufbau nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Halbleiterschicht (6, 10, 24, 28) als Heterostruktur mit separatem Einschluss und Indexgradienten (GRIN-SCH) zur Lichteinschnürung in einer optischen Halbleitervorrichtung arbeitet, und die Verspannung einen Wert aufweist, so dass ein Lichteinschnürfaktor für transversal magnetisches Licht bereitgestellt wird, der in der GRIN-Schicht größer als der Lichteinschnürfaktor für transversal elektrisches Licht ist.
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