DE69606812T2 - Halbleiterlaser - Google Patents

Halbleiterlaser

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft das Gebiet der Injektions-Halbleiterlaser.
    • Allgemeiner Stand der Technik
  • R. F. Kazarinov et al. (Soviet Physics- Semiconductors, Band 5(4), S. 707 (1971)) haben die Möglichkeit der Verstärkung elektromagnetischer Wellen in einer Halbleiter-Supergitterstruktur vorausgesagt. Seit der Veröffentlichung dieser Grundsatzarbeit wurde die Realisierbarkeit eines unipolaren Quantenmulden- Halbleiterlasers von vielen Fachleuten untersucht. Siehe zum Beispiel S. J. Borenstain et al., Applied Physics Letters, Band 55(7), S. 654 (1989); Q. Hu et al., Applied Physics Letters, Band 59(23), S. 2923 (1991); A. Kastalsky et al., Applied Physics Letters, Band 59(21), S. 2636 (1991); und W. M. Yee et al., Applied Physics Letters, Band 63(8), S. 1089 (1993). Nach bestem Wissen der Anmelder wird im Stand der Technik jedoch keine Beobachtung eines Lasereffekts in den vorgeschlagenen unipolaren Strukturen offenbart.
  • Bekannte unipolare Halbleiter-Quantenkaskadenlaser werden in APPLIED PHYSICS LETTERS, Band 66, Nr. 5, 30.1.1995, Seiten 538-540, FAIST J ET AL: "VERTICAL TRANSITION QUANTUM CASCADE LASER WITH BRAGG CONFINED EXCITED STATE"; und ELECTRONICS LETTERS, Band 30, Nr. 11, 26.5.1994, Seite 865/866, FAIST J ET AL: "QUANTUM CASCADE LASER: AN INTERSUB-BAND SEMICONDUCTOR LASER OPERATING ABOVE LIQUID NITROGEN TEMPERATURE", beschrieben.
  • Vor kurzer Zeit haben F. Capasso et al. einen neuartigen unipolaren Halbleiterlaser beschrieben, der als der Quantenkaskadenlaser (QC-Laser) bezeichnet wird. Siehe zum Beispiel das US Patent Nr. 5457709, ausgegeben am 10.10.1995, und damit zusammenhängend die EP-A-0676839 gemäß Artikel 54(3) EPC. Der QC-Laser umfaßt eine Vielzahl im wesentlichen identischer undotierter "aktiver" Bereiche, wobei ein gegebener aktiver Bereich durch einen dotierten "Energierelaxations"- Bereich von einem angrenzenden aktiven Bereich getrennt wird. Gemäß den beispielhaften Ausführungsformen umfaßt jeder aktive Bereich zwei oder mehr gekoppelte Quantenmulden, die so ausgelegt sind, daß die Erreichung einer Populationsumkehrung erleichtert wird. Der QC-Laser wurde beispielhaft in dem GaInAs/AlInAs- System realisiert und emittiert Strahlung mit 4,2 um.
  • Angesichts der potentiellen Bedeutung von Lasern des QC-Typs wäre es höchst wünschenswert, über QC-Laser mit verschiedener Struktur zu verfügen, um dem Entwickler des Bauelements eine größere Freiheit beim Entwurf zu geben. Insbesondere wäre es wünschenswert, über einen QC-Laser mit einfacherer Struktur zu verfügen. Diese Anmeldung beschreibt einen solchen QC-Laser.
    • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Das Studium der Physik der QC-Laser der Anmelder hat zu der überraschenden Entdeckung geführt, daß das Vorliegen zweier (oder möglicherweise mehr) Quantenmulden (QWs) in jedem der Vielzahl aktiver Bereiche keine entscheidende Anforderung ist, und daß ein QC-Laser mit einer einzigen QW in jedem der Vielzahl aktiver Bereiche realisierbar ist. Ein solcher Laser mit "einzelner QW" wurde hergestellt und mit der Entwurfs-Wellenlänge von etwa 4,5 um im Laserbetrieb betrieben.
  • Die Erfindung wird durch die Ansprüche definiert. Genauer gesagt wird die Erfindung in einem Artikel realisiert, der einen unipolaren Halbleiterlaser umfaßt, der ein mehrschichtiges Halbleitergefüge mit dotiertem Halbleitermaterial nur eines ersten Leitfähigkeitstyps und ferner ein Mittel zum Anlegen einer Spannung an das mehrschichtige Halbleitergefüge umfaßt. Das mehrschichtige Halbleitergefüge umfaßt eine Vielzahl im wesentlichen identischer aktiver Bereiche, wobei ein gegebener der aktiven Bereiche durch einen Supergitter-Trägerinjektions/-relaxationsbereich von einem angrenzenden aktiven Bereich getrennt wird. Insbesondere umfaßt der gegebene aktive Bereich eine einzige Quantenmulde. Der einzelnen Quantenmulde sind ein erster und zweiter Energiezustand für Ladungsträger des ersten Leitfähigkeitstyps zugeordnet, wobei der zweite Energiezustand energiereicher als der erste ist. Der Supergitter-Trägerinjektions/-relaxationsbereich wird so ausgewählt, daß er für Träger in dem ersten Energiezustand relativ durchlässig ist und für Träger in dem zweiten Energiezustand wesentlich weniger durchlässig ist. Während des Betriebs des Lasers wird mindestens ein Teil der Ladungsträger des ersten Leitfähigkeitstyps einem Strahlenübergang aus dem zweiten in den ersten Energiezustand unterzogen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 zeigt schematisch einen Teil des Leitungsbanddiagramms eines beispielhaften Einzel-QW- Lasers gemäß der Erfindung;
  • Fig. 2 zeigt beispielhafte Daten bezüglich Lichtleistung als Funktion des Pumpstroms;
  • Fig. 3 zeigt beispielhafte spektroskopische und thermische Daten; und
  • Fig. 4 zeigt die berechnete Dispersion der beiden Teilbänder eines beispielhaften Einzel-QW-QC- Lasers.
    • Ausführliche Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen
  • Die Anmelder beschreiben nun ausführlicher ihre überraschende Entdeckung, daß ein QC-Laser nicht unbedingt zwei (oder mehr) gekoppelte QWs in jedem aktiven Bereich erfordert, sondern daß der Laserbetrieb in einem QC-Laser erzielt werden kann, der nur eine QW in jedem aktiven Bereich aufweist.
  • Bei den Mehrfach-QW-QC-Lasern des Stands der Technik werden die Relaxationszeiten so gewählt, daß die "globale" (d. h. über alle Elektronenwellenzahlen integrierte) Populationsumkehrung gewinnt. Es wurde festgestellt, daß die Erzielung einer globalen Populationsumkehrung keine notwendige Bedingung für den Laserbetrieb ist, und daß die Laserwirkung mit mäßigem Schwellenwert stattfinden kann, wenn die örtliche Populationsumkehrung in einem kleinen Bereich des k- Raums in der Nähe von k=0 gewinnt. Der genannte kleine Bereich des k-Raums entspricht in der Regel Elektronenenergien in einer optischen Phonon-Energie (bespielsweise etwa 35 meV) vom Boden des unteren Teilbands aus. Es wird sich zeigen, daß die örtliche Populationsumkehrung relativ leicht erzielt wird.
  • Die allgemeine Struktur von QC-Lasern gemäß der vorliegenden Erfindung stimmt im wesentlichen mit der des herkömmlichen QC-Lasers überein. Siehe zum Beispiel Fig. 7 und 10 und den zugeordneten Text des US Patents 5457709.
  • Fig. 1 zeigt schematisch einen Teil der Leitungsbandstruktur eines Einzel-QW-Lasers gemäß der Erfindung bei positiver Vorspannung (75 kV/cm). Die Zahlen 10 und 11 beziehen sich auf den aktiven Bereich bzw. den zugeordneten Bragg-Reflektorbereich (Träger- Injektions/Relaxationsbereich), und 12, 13 und 14 beziehen sich auf die erste Sperre, QW bzw. zweite Sperre. Außerdem sind der untere (n = 1) und obere (n=2) Energiezustand in der QW mit den jeweiligen zugeordneten Wellenfunktionen (Betragsquadrate) gezeigt. Die Energiedifferenz zwischen den beiden Energiezuständen beträgt ungefähr 280 meV. Die Strichpunktlinien sind die effektiven Leitungsbandränder für die Elektronen-Injektions/-Relaxationsbereiche des Supergitters mit abgestufter Lücke. Der Bereich 15 stellt den Energiebereich und die räumliche Ausdehnung von bandartigen Elektronenzuständen dar und wird als ein "Miniband" bezeichnet. Er wird durch die "Minilücke" 17 von dem oberen Miniband 16 getrennt, die im wesentlichen die Elektronenflucht aus dem oberen Energiepegel der QW abblockt. Es versteht sich, daß der Bragg- Reflektor-Supergitterbereich 11 so entworfen ist, daß im wesentlichen die oben beschriebenen Minibänder und Minilücke entstehen. Der wellige Pfeil zeigt den Übergang an, der für die Laserwirkung verantwortlich ist.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform des Einzel-QW-QC-Lasers wurde die folgende Schichtenfolge von Al0,48In0,52As/Ga0,47In0,53AS (beginnend mit der Injektionssperrschicht 12, von links nach rechts in Fig. 1; Dicken in nm) bereitgestellt: (6,8/4,8), (3,5/2, 3), (1,9/2, 2), (2,2/2,1), (2,1/2,0), (2,0/1,8), (1,8/1,7), (2,0/1,6), (2,2/1,6) und (2,4/1,4). Die Schichtenfolge wurde nicht absichtlich dotiert, mit der Ausnahme der 14. bis 20. Schicht, die auf etwa 3 · 10¹&sup7; cm³ n-dotiert wurden. Die zwölfte Schicht wird durch die Zahl 18 identifiziert.
  • Das beispielhafte Lasergefüge umfaßt wie beschrieben 25 Schichtenfolgen. Für den unteren Mantelbereich des Laserwellenleiters wurde das InP- Substrat des n-Typs (~1-2 · 10¹&sup8; cm&supmin;³) verwendet. Dies führt zu verbesserten thermischen Kenngrößen des Lasers und wird als weithin anwendbares neues Laserentwurfsmerkmal betrachtet, das nun besprochen wird.
  • Aufgrund der Legierungsstreuung besitzen ternäre III/V-Materialien einen thermischen Widerstand, der 15-20mal größer als der von binären III/V- Materialien wie zum Beispiel InP oder GaAs ist. Um den aktiven Bereich eines Halbleiterlasers näher zu dem (in der Regel binären) Substrat zu bringen, ist es aus diesem Grund wünschenswert, die Dicke des ternären (und/oder quaternären) Mantelmaterials zwischen dem aktiven Bereich und dem Substrat zu verringern. Offensichtlich führt das Fehlen oder eine wesentliche Verringerung von ternärem Mantelmaterial zwischen dem aktiven Bereich und dem Substrat zu einem verringerten thermischen Widerstand zwischen dem aktiven Bereich und dem Substrat und folglich zu verbesserten thermischen Kenngrößen des Lasers. Die Anmelder haben dieses Entwicklungsmerkmal auch mit Mehrfach-QW-QC-Lasern verwendet, und es wird angenommen, daß es wesentlich zu der Erzielung des CW-Betriebs in diesen Lasern beigetragen hat. Das Merkmal wird somit vorteilhaft in allen Arten von QC-Lasern verwendet. Es versteht sich, daß "Substrat" eine binäre III/V-Pufferschicht auf dem binären III/V-Grundmaterial bedeuten kann.
  • Für den oberen Mantelbereich des beispielhaften Einzel-QW-QC-Lasers wurden der Reihe nach drei AlInAs- Bereiche der Dicken 700, 600 bzw. 1200 nm mit einer n- Dotierung von 1,2 · 10¹&sup7;, 3 · 10¹&sup7; bzw. 7·10¹&sup8; cm&supmin;³ aufgewachsen. Zwischen dem Wellenleiterkern und den Mantelschichten wurden 200 nm dicke InAs-Schichten bereitgestellt, auf etwa 1,5 · 10&sup7; cm&supmin;³ n-dotiert, und zwar mit geeigneten ~10 nm dicken, grenzflächenglättenden, zusammensetzungsmäßig abgestuften AlInGaAs-Schichten. Eine obere 10 nm dicke Kontaktschicht (Sn, auf 10²&sup0; cm&supmin;³ dotiert), die durch eine 30 nm dicke, abgestufte n&spplus;-AlInGaAs-Schicht von dem AlInAs-Mantel getrennt war, schloß das Aufwachsen des beispielhaften Lasergefüges ab.
  • Außerdem wurde ein Vergleichsgefüge aufgewachsen. Jede der 25 identischen Aktivbereich/Bragg- Reflektor-Schichtenfolgen des Vergleichsgefüges war mit denen des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Gefüges identisch, mit der Ausnahme, daß der aktive Bereich nicht eine sondern zwei QWs enthielt. Genauer gesagt hatte die Schichtenfolge des aktiven Bereichs des Vergleichsgefüges die folgenden Dicken in nm: (6,8/4,8), (2,8/3,9) und (2,7/2, 2). Alle anderen Schichten waren wie oben beschrieben.
  • Beide Gefüge wurden zu 2,25 mm langen abgespaltenen Wulstwellenleitern der Breite 11 um verarbeitet. Danach wurden Stromimpulse mit einer Dauer von 50 ns mit einer Wiederholungsrate von 20 kHz in die Bauelemente eingespeist. Fig. 2 zeigt die Spitzen- Lichtleistung als Funktion des Ansteuerstroms bei 10 K des beispielhaften Einzel-QW-QC-Lasers (Nummer 21) und des Vergleichs-QC-Lasers (2 QW) (Zahl 22).
  • Fig. 3 zeigt das Ausgangsspektrum über der Schwelle des Einzel-QW-QC-Lasers gemäß der Erfindung. Das eingefügte Bild zeigt die Temperaturabhängigkeit des Schwellenstroms des erfindungsgemäßen Lasers.
  • Der Laserbetrieb von Einzel-QW-QC-Lasern wird nun mit Bezug auf Fig. 4 besprochen. Diese Besprechung basiert auf dem aktuellen Verständnis der Anmelder. Sie erfolgt lediglich zu Lehrzwecken und soll den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränken.
  • Der Laserbetrieb in dem Einzel-QW-QC-Laser wird durch die Nichtparabolizität der Energiebänder, so wie sie in der in Fig. 4 abgebildeten Energiedispersionsbeziehung gezeigt ist, ermöglicht, wobei die Zahlen 41 und 42 die Energie als Funktion des Impulses parallel zu der Ebene des QW für die Zustände n = 1 bzw. n = 2 bedeuten. Diese Nichtparabolizitäten manifestieren sich in der verschiedenen Krümmung (d. h. verschiedenen effektiven Masse) der beiden Zustände. Als Folge dieser Krümmungsdifferenz können nur Elektronen, die sich in einem kleinen Bereich des k-Raums (mit der Breite ≤ der optischen Phonon-Energie, z. B. etwa 35 meV) in der Nähe von k = 0 befinden, Photonen einer Energie gleich hv (d. h. die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen bei k = 0) absorbieren, wobei v die Laserfrequenz und h die Plancksche Konstante ist. Der Laserübergang ist schematisch durch den welligen Pfeil 43 angedeutet und die gestrichelten Pfeile 44 und 45 zeigen beispielhafte Übergänge an, die nicht durch die Photonen der Energie h angeregt werden können, weil sich die relevanten Energien wesentlich von h unterscheiden.
  • In Fig. 4 zeigen die Pfeile 46, 471, 472... 47 N eine mögliche Folge von Nicht-Strahlungs-Übergängen an, die sich beim Übergang eines Elektrons aus dem Zustand n = 2 (k~0) in den Zustand n = 1 (k~0) ergeben können. Der Pfeil 46 bedeutet einen Übergang zwischen Teilbändern, bei dem ein optisches Phonon emittiert wird, und die Pfeile 471-47 N bedeuten teilbandinterne Übergänge, bei denen ebenfalls optische Phononen emittiert werden. Die Elektronen in den Zuständen n = 1, k¹¹ > 0 können sich mit einer Rate von τtu&supmin;¹ aus der QW heraustunneln und werden einer optischen Phononstreuung mit Raten von τint,i&supmin;¹ unterzogen, wobei I = 1, 2..... N ist.
  • Fachleute werden erkennen, daß der Anteil von Elektronen in dem relevanten Bereich in der Nähe von k = 0 in dem Zustand n = 1 wesentlich kleiner als 1 sein muß. Die vorliegenden Berechnungen zeigen an, daß dieser Anteil für den oben beschriebenen Einzel-QW-QC- Laser etwa 1/2 beträgt.
  • Fachleute werden außerdem erkennen, daß das Steuerverfahren für die räumliche Position des Plasmas in dem unipolaren QC-Laser mittels eines Steuerfelds, das in dem US Patent 5457709 beschrieben wird, auf Einzel-QW-QC-Laser sowie auf die herkömmlichen Mehrfach-QW-QC-Laser anwendbar ist, und die Anwendung des Verfahrens auf die ersteren wird in Betracht gezogen.

Claims (6)

1. Artikel mit einem unipolaren Halbleiterlaser, wobei der Laser folgendes umfaßt:
a) ein mehrschichtiges Halbleitergefüge mit dotiertem Halbleitermaterial nur eines ersten Leitfähigkeitstyps; und
b) ein Mittel zum Anlegen einer Spannung an das mehrschichtige Halbleitergefüge; wobei
c) das mehrschichtige Gefüge eine Vielzahl von im wesentlichen identischen aktiven Bereichen umfaßt, wobei ein gegebener der aktiven Bereiche (10) durch einen Supergitter-Trägerinjektions/-relaxationsbereich (11) von einem angrenzenden aktiven Bereich getrennt wird;
dadurch gekennzeichnet, daß
d) der gegebene aktive Bereich eine einzelne Quantenmulde (13) umfaßt, der Quantenmulde nur ein erster (n = 1) und ein zweiter (n = 2) Energiezustand für Ladungsträger des ersten Leitfähigkeitstyps zugeordnet sind, wobei der zweite Energiezustand energiereicher als der erste Energiezustand ist;
e) der Supergitter-Trägerinjektions/-relaxationsbereich so ausgewählt wird, daß er für Träger in dem ersten Energiezustand (n = 1) relativ durchlässig ist und für Träger in dem zweiten Energiezustand (n = 2) wesentlich weniger durchlässig ist; und
f) mindestens manche der Ladungsträger des ersten Leitfähigkeitstyps einen Strahlungsübergang von dem zweiten (n = 2) in den ersten (n = 1) Energiezustand erfahren.
2. Artikel nach Anspruch 1, wobei der aktive Bereich im wesentlichen undotiert ist und der Energierelaxationsbereich dotiertes Halbleitermaterial umfaßt.
3. Artikel nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Energierelaxationsbereich abwechselnde Schichten aus einem ersten und einem zweiten Halbleitermaterial umfaßt.
4. Artikel nach Anspruch 3, wobei der Energierelaxationsbereich einen dotierten Supergitterbereich umfaßt, der eine Vielzahl von Quantenmulden umfaßt.
5. Artikel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mehrschichtige Halbleitergefüge so ausgewählt wird, daß es einen Wellenleiter für Photonen einer Energie bereitstellt, die dem besagten Strahlungsübergang entspricht.
6. Artikel nach Anspruch 5, wobei der Wellenleiter einen Kern umfaßt, der den aktiven Bereich umfaßt, wobei der Kern auf einem dotierten binären III/V- Halbleitersubstrat angeordnet ist, und weiterhin einen oberen Mantelbereich umfaßt, der dotiertes ternäres oder quaternäres III/V-Halbleitermaterial umfaßt.
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