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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleiterlaser sowohl vom Kanten-emittierenden als
auch vom Oberflächen-emittierenden
Typ, und sie betrifft insbesondere Laser (LDs = laser devices) mit
Separate-Eingrenzungs-Heterostruktur.
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LDs,
die im sichtbaren Spektralbereich um 650 nm herum emittieren, sind
Schlüsselelemente der
jüngsten
professionellen und Verbraucherprodukte auf Grundlage digitaler
Videodisks (DVDs). Das wichtigste Halbleitermaterial für derartige
Dioden ist das AlGaInP-Legierungssystem, und optische Bauteile auf
Grundlage dieser Materialien sind bereits gut entwickelt.
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Das
begrenzende Merkmal des AlGaInP-Legierungssystems hinsichtlich der
Erzeugung einer Laserdiode für
sichtbares Licht ist der relativ kleine Versatz zwischen dem Leitungsband
und dem Valenzband zwischen den aufbauenden Halbleitern in einem
Heterostrukturlaser. Zum Beispiel beträgt der maximale Leitungsbandversatz,
wie er bei (AlGa)0,5In0,5P
erhalten wird, nur 250 meV im Vergleich zu 350 meV im Fall von GaAs/AlGaAs.
Demgemäß existiert
in diesen Dioden ein erheblicher thermisch aktivierter Elektronen-Leckstrom,
der zu hohen Laserschwellenströmen
und schlechter Temperaturcharakteristik führt. Der Verlust von Löchern zum
n-Kontakt ist, obwohl er weniger deutlich als der Verlust von Elektronen
ist, ebenfalls ein Beitragsfaktor.
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Es
wurde eine Anzahl von Vorgehensweisen ergriffen, um diese Einschränkungen
zu verbessern, insbesondere eine erhöhte p-Dotierung im p-Mantelbereich
der LD sowie die Verwendung sogenannter Mehrfachquantentrogbarrieren
(MQBs = Multiple Quantum Barriers) nahe dem p-Mantelbereich (siehe z.B.
D. P. Bour et al., IEEE J. Quant. Elect., Vol. 30, 2, S. 593–606. Bei
beiden Vorgehensweisen wird versucht, den Elektronen-Leckstrom dadurch
zu verringern, dass Elektronen, die aus dem aktiven Bereich der
LD thermisch angeregt werden, eine erhöhte Potenzialbarriere dargeboten
wird und sie durch das angelegte elektrische Feld zum p-Kontakt
geschwemmt werden.
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Es
können
zwei Vorgehensweisen ergriffen werden, um die relativen Popula tionen
von Ladungsträgern
(Elektronen und Löchern),
die Strahlund im aktiven Bereich kombinieren (und demgemäß zum Laservorgang
beitragen), gegenüber
denen zu erhöhen,
die durch thermische Anregung in den p-Kontakt oder durch nicht
strahlende Rekombination in den Mantelbereichen verlorengehen. Der
Einschluss von Barriereschichten, wie MQBs oder Elektronen reflektierenden
Schichten, zielt darauf ab, den Leckstrom in Bauteilen dadurch zu
senken, dass der Verlust von Elektronen (oder Löchern im Fall von Löcherbarriereschichten)
verhindert wird.
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Eine
zweite Vorgehensweise besteht im Erhöhen der Effizienz des Elektroneneinfangs
in den aktiven Bereich des Bauteils. Gemäß P. Bhattacharya et al., IEEE
J. Quant Elect., Vol. 32, 9, S. 1620–1629 (1996) wird der Einfang
von Elektronen dadurch gefördert,
dass ein Tunnelbereich verwendet wird, durch den mit hoher Energie
injizierte Elektronen gekühlt
werden, bevor sie in die aktiven Quantentrogbereiche eingefangen
werden. Dies verringert den Effekt heißer Ladungsträger in den
Trögen,
und es begrenzt auch den Verlust an Elektronen hoher Energie, die
den aktiven Bereich durchwandern, ohne durch die Tröge eingefangen
zu werden, wie es durch die beigefügte 1 veranschaulicht
ist, die ein schematisches Diagramm zum Veranschaulichen der Valenzband-
und der Leitungsbandenergien einer LD mit Resonanztunnelinjektion
ist. In der 1 befindet sich ein aktiver
Bereich 10 innerhalb eines optischen Führungsbereichs 12 aus
einem n-seitigen Führungsbereich 12a und
einem p-seitigen Führungsbereich 12b.
An entgegengesetzten Seiten des aktiven Bereichs 10 und
der Führungsbereiche 12a und 12b sind
ein n- bzw. ein
p-Mantelbereich 14 und 16 vorhanden. Der n-seitige
Führungsbereich 12a ist breit,
und er verfügt über einen
vom aktiven Bereich 10 entfernten Abschnitt 12c.
Der Abschnitt 12c verfügt über eine
tiefere Bandlückenenergie
als der Bereich 12b, jedoch ist im n-seitigen Führungsbereich 12a auch
ein Resonanztunnelbarriere-Bereich 12d vorhanden. Elektronen
aus dem Mantelbereich 14 werden durch die durch den Mantelbereich 14 und den
Resonanztunnelbarrierebereich 12d gebildeten Energiebarrieren
in den Führungsbereich 12c eingegrenzt.
Hochenergetische ("heiße") Elektronen kühlen im
Bereich 12c durch Verlieren von Energie herunter. Niederenergetische
("kalte") Elektronen im Bereich 12c werden
durch resonantes Tunneln durch das Quanten-eingegrenzte Energieniveau
im Bereich 12d in den aktiven Bereich 10 injiziert.
Löcher
aus dem p-Mantelbereich 16 erreichen den aktiven Bereich 10 durch
Durchdringen des p-seitigen Führungsbereichs 12b ohne
Tunnelvorgang.
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R.
Kumar et al., Appl. Phys. Lett 68, S. 3704–3706 (1996) offenbaren das Anbringen
einer MQB im Zentrum des aktiven Quantentrogbereichs eines AlGaAs-Lasers,
um den Einfang injizierter Löcher
zu fördern.
Eine MQB im p-Mantelbereich ist so konzipiert, dass sie Elektronen
zum aktiven Quantentrogbereich reflektiert, jedoch hat dies den
unerwünschten
Effekt des Reflektierens von Löchern
weg vom aktiven Bereich. Das Anbringen einer MQB im Zentrum des
aktiven Bereichs ist dazu konzipiert, dieses Problem zu überwinden.
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P.
M. Smowton et al., in Appl. Phys. Lett., Vol, 67, Seiten 1265–1267, 1995
zeigen, dass ein wichtiger Leckmechanismus für Elektronen über das
indirekte X-Tal der Leitungsbänder
in den p-seitigen Führungsbereichen
und Mantelbereichen eines Separate-Eingrenzungs-Heterostruktur(SCH)lasers
mit zwei Ga0,41In0,59P-Quantentrögen existieren
kann, die durch eine Barriere getrennt sind, wobei alles in einem
optischen Führungsbereich
aus (AlyGa1-y)0,51In0,49P (wobei
y verschiedene Werte von 0,3, 0,4 und 0,5 aufweist) eingebaut sind,
und mit einer Abdeckung durch mit Zn auf der p-Seite und Si auf
der n-Seite dotierten Mantelbereichen aus (Al0,7Ga0,3)0,51In0,49P. Jedoch erfolgen keine Vorschläge zum Lindern
der Probleme, die durch den Verlust durch Elektronen mittels dieses
Mechanismus hervorgerufen werden.
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Die
beigefügte 2 zeigt
die Bandversätze für Gitter-angepasstes
(AlGa)InP. Die Minimalenergie im Leitungsband von AlGaInP ist eine
Funktion des Aluminiumgehalts, mit einem Übergang von einem Minimum im Γ-Band zu
einem Minimum im X-Band bei einer Konzentration von 0,55. Die Begriffe Γ-Band und
X-Band, wie hier verwendet, bezeichnen Symmetriepunkte in der Brillouinzone,
und es handelt sich um Standardbegriffe in der Festkörperphysik,
siehe z.B. R. A. Smith, "Semiconductors", (Cambridge University
Press, 1978). Die Begriffe Γ-Minimum
und X-Mininum betreffen das minimale Energieniveau im Γ-Band bzw.
im X-Band.
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Die
beigefügte 3 veranschaulicht
die Profile des Leitungsbands und des Valenzbands eines typischen
InGaP/AlInGaP-Mehrfachenquantentroglasers, wobei die Relativpositionen
des Γ- und des
X-Minimums in den Heterostrukturschichten dargestellt sind. In der 3 verfügt der aktive
Bereich 10 über
drei Quantenenergietröge
aus Ga0,5In0,5P,
die im optischen Führungsbereich 12 ausgebildet
sind. Der n-seitige und der p-seitige Führungsbereich 12a und 12b bestehen
aus (Al0,5Ga0,5)0,5In0,5P. Der n-seitige
und der p-seitige
Mantelbereich 14 und 16 bestehen aus n- bzw. p-dotiertem
(Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P.
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Optische Übergänge, die
zu Laserwirkung im aktiven Quantentrogbereich 10 der Laserdiode
führen,
rühren
von Γ-Elektronen
in den InGaP-Quantentrögen
her. Die 3 zeigt, dass, in vielen Schichten, das
X-Minimum von derselben oder niedrigeren Energie als das Γ-Minimum
ist. Wie es von Smowton et al. (siehe oben) angegeben ist, liegt
ein wesentlicher Prozentsatz der Population injizierter Elektronen,
sowie thermische aktivierter Leckelektronen, im X-Tal des Mantel-,
Führungs-
und Barrierebereichs aus AlGaInP in der Laserdiode.
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Wie
es aus der 3 erkennbar ist, existiert nahe
dem p-Mantelbereich 16 ein niederenergetischer Transportpfad über die
X-Minima mit niedrigerer Aktivierungsenergie für thermische Verluste von Elektronen
aus den Trögen
des aktiven Bereichs in die X-Bänder
als die entsprechenden Γ-Bänder im Führungsbereich 12b und
im Mantelbereich 16.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die X-Minima im Führungsbereich 12a und
im Mantelbereich 14 auf der n-Seite einer Heterostruktur-LC
auch für
die Injektion von Elektronen aus den n-Kontakten in den aktiven
Quantentrogbereich 10 wesentlich sind. Da das X-Minimum
in InGaP energetisch höher
als das Γ-Minimum
liegt (wobei diese Minima in (AlGa)0,5In0,5P beinahe degeneriert sind), zeigt es
die 3, dass der aktive Bereich 10 aus einer
Gruppe von Quantentrögen
für Γ-Elektronen,
jedoch einer Gruppe von Quantenbarrieren für X-Elektronen besteht. So
präsentiert
sich aus dem n-Mantelbereich 14 injizierten Elektronen,
die durch das X-Minimum des AlGaInP-Führungsbereichs 12a transportiert
werden, an der Führungsbereich-/Quantentrog-Grenzfläche eine
Barriere. Ein wesentlicher Anteil dieser Elektronen wird so zurück in den
Führungsbereich 12a reflektiert,
wo sie nichtstrahlend rekombinieren können. Daher tragen sie nicht
zur Ladungsträgerpopulation
in den Quantentrögen
bei, und demgemäß erhöhen sie
die Schwellenstrom des Lasers.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine SCH-LD zu schaffen, bei der
die Verluste von Elektronen in nichtstrahlende Rekombinationspfade
im Führungsbereich
verringert sind und der Einfang von Elektronen in den aktiven Bereich
(wo sie zum Laservorgang beitragen) erhöht ist, wodurch der Laserschwellenstrom
gesenkt wird, wie er zum Erzielen eines Laservorgangs erforderlich
ist.
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Gemäß der Erfindung
ist ein Laser mit Separate-Eingrenzungs-Heterostruktur mit Folgendem
geschaffen:
- – einem optischen Führungsbereich;
- – einem
aktiven Bereich mit mindestens einem Energietrog, der im optischen
Führungsbereich angeordnet
ist; und
- – einem
n- und einem p-Mantelbereich an entgegengesetzten Seiten des optischen
Führungsbereichs;
dadurch gekennzeichnet, dass
- (1) im aktiven Bereich oder einem Teil des optischen Führungsbereichs,
der zwischen dem aktiven Bereich und dem n-Mantelbereich angeordnet
ist, eine Elektroneneinfangschicht vorhanden ist,
- (2) die Zusammensetzung der Elektroneneinfangschicht dergestalt
ist, dass das X-Minimum in dieser Schicht niedriger als das in benachbarten
Teilen der Heterostruktur ist;
- (3) die Elektroneneinfangschicht ausreichend dick zum Binden
von X-Elektronen ist, so dass sie, im Gebrauch den Einfang von X-Elektronen
fördert;
- (4) die Elektroneneinfangschicht ausreichend nahe am aktiven
Bereich liegt, um einen Transfer eingefangener X-Elektronen auf
mindestens ein Γ-eingegrenztes
Niveau im aktiven Bereich zu ermöglichen;
und
- (5) das X-Minimum der Elektroneneinfangschicht niedriger als
das Γ-Minimum
desjenigen Teils des optischen Führungsbereichs
liegt, der zwischen dem aktiven Bereich und dem n-Mantelbereich angeordnet
ist.
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Die
Elektroneneinfangschicht 36 kann ausreichend dünn sein
(z.B. ungefähr
2 bis 30 Å,
bevorzugter 1 bis 25 Å,
und zweckdienlicherweise ungefähr
15 Å,
1 Å =
0,1 nm), um ein Tunneln von Γ-Elektronen
durch sie hindurch zu ermöglichen,
so dass der Einfang von Γ-Elektronen
in die aktive Schicht im Wesentlichen unbehindert ist. Als Alternative
ist es möglich,
dafür zu
sorgen, dass die Elektroneneinfangschicht ausreichend dick ist (z.B.
ungefähr
52 bis 200 Å,
bevorzugter bis zu ungefähr
50 bis 100 Å),
um Γ-Elektronen
zu reflektieren, damit sie energetisch relaxieren und über einen
X-Zwischenzustand in der Elektroneneinfangschicht in den mindestens
einen Energietrog im aktiven Bereich eindringen.
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Die
Elektroneneinfangschicht verfügt über eine
Zusammensetzung, bei der der Anteil eines Bestandselements (z.B.
Al im Fall des Legierungsmaterials (AlGa)InP) größer als im Führungsbereich
ist. Der Bestandselementanteil einer derartigen Schicht ist zweckdienlicherweise
im Wesentlichen derselbe wie der im n-Mantelbereich, jedoch kann
er größer oder
kleiner sein.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
ist die Elektroneneinfangschicht im n-seitigen Führungsbereich direkt angrenzend
an den aktiven Bereich angeordnet. In diesem Fall liegt das X-Minimum
in einer derartigen Schicht niedriger als dasjenige in jedem benachbarten
Teil des aktiven Bereichs und des benachbarten Teils des n-seitigen
Führungsbereichs.
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Bei
einem speziellen Beispiel kann eine Technik zur Züchtungsunterbrechung
an der Grenzfläche
zwischen der Elektroneneinfangschicht und einem Energietrog des
aktiven Bereichs verwendet werden. Dies ist eine bekannte Technik
bei epitaktischer Züchtung,
wobei das Wachstum von Halbleiterschichten für einige Sekunden oder Minuten
unterbrochen oder angehalten wird, bevor die folgende Schicht abgeschieden
wird. Dies hat den Effekt einer Änderung
der Grenzflächenstruktur
zwischen benachbarten Schichten, und bei der Erfindung kann dies
den Transport von X-Elektronen von der Einfangsschicht in den Trog
beeinflussen.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
ist die Elektroneneinfangschicht im n-seitigen Führungsbereich angeordnet, und
sie ist vom aktiven Bereich um einen Abstand entfernt, der ausreichend
dünn ist
(typischerweise einige Angström),
um einen ausreichenden Transport gebundener X-Elektronen von der
Elektroneneinfangschicht in die Γ-Zustände im Energietrog
zu ermöglichen.
In diesem Fall ist das X-Minimum in eine derartigen Schicht niedriger
als das in jedem der benachbarten Teile des n-seitigen Führungsbereichs
an entgegengesetzten Seiten der Schicht.
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Die
Zusammensetzung und die Dicke der Elektroneneinfangschicht werden
so gewählt,
dass die Einfangeffizienz für
X-Elektronen erhöht
wird, und sie dient auch dazu, das thermisch aktivierte Auslecken
von Löchern
aus dem aktiven Bereich in den n-Mantelbereich zu verhindern. Dank
der elektronischen Struktur der hier betrachteten Halbleitermaterialien
befindet sich die maximale Energie im Valenzband immer am Γ-Punkt und
die Elektroneneinfangschicht wirkt immer als Barriere für Löcher. Es
ist bevorzugt, die Elektroneneinfangschicht dahingehend zu optimieren,
dass das Auslecken von Löchern
verringert wird. Diesbezüglich
ist es zu beachten, dass die Schicht so dick wie möglich sein
sollte, um ein Auslecken von Löchern
zu verhindern, wobei jedoch eine dicke Schicht den Elektroneneinfang
behindert, so dass eine Optimierung erforderlich ist, um einen Kompromiss
für diese
verschiedenen Effekte zu finden.
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Bei
einer dritten Ausführungsform
ist in einer SCH-LD mit einem ersten und einem zweiten Quantenenergietrog
im aktiven Bereich die Elektroneneinfangschicht im aktiven Bereich
vorhanden, und sie besteht aus einem Barrierematerial zwischen dem ersten
und dem zweiten Quantentrog. In diesem Fall ist das X-Minimum in
einer derartigen Elektroneneinfangschicht niedriger als das in jedem
der benachbarten Teile des aktiven Bereichs an entgegengesetzten
Seiten der Schicht. Wenn der aktive Bereich über mehr als zwei Quantentröge verfügt, können entsprechend
eine zusätzliche
Elektroneneinfangschicht oder mehrere vorhanden sein. Das Anbringen
eines derartigen Barrierematerials oder mehrerer zwischen den Quantentrögen bedeutet,
dass die Γ-Elektronen erhöhte Energie
benötigen,
um aus den Quantentrögen
zum Γ-Minimum
im mindestens einen Barrierematerial zu entweichen. Derartige Schichten zeigen
auch den Effekt des Erhöhens
der Aktivierungsenergie von X-Elektronen in den Barriereschichten
gegenüber
der von X-Elektronen in den Quantentrögen. Anders gesagt, sorgt das
relativ hoch energetische X-Minimum des Quantentrogmaterials dafür, dass
das Trogmaterial selbst als Barriere für jegliche X-Elektronen wirkt,
die ihren Weg in das mindestens eine Barrierematerial finden können.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
ist eine Elektroneneinfangschicht vom oben beschriebenen Typ an
jeder Seite des aktiven Bereichs vorhanden, um es zu ermöglichen,
dass X-Elektronen nahe dem aktiven Bereich eingefangen werden, wo
sie in den mindestens einen Energietrog im aktiven Bereich relaxieren
können.
Am bevorzugtesten sind die Elektroneneinfangschichten im Wesentlichen
symmetrisch in Bezug auf den aktiven Bereich angeordnet, und sie
sind im Wesentlichen von derselben Zusammensetzung, und sie zeigen
im Wesentlichen dieselbe Dicke. Dadurch kann die optische Mode des emittierten
Laserlichts dadurch verbessert werden, dass die Symmetrie des Brechungsindexprofils
des optischen Führungsbereichs
verbessert wird.
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Die
erfindungsgemäße SCH-LD
kann auch eine beliebige der oben beschriebenen, für sich bekannten
Maßnahmen
zum Verringern des Leckstroms durch Anbringen erhöhter Energiebarrieren an
der p-Seite der LD beinhalten, die so konzipiert sind, dass thermisch
aktivierte Ladungsträger
zurück in
den aktiven Bereich reflektiert werden.
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Jedoch
ist es bevorzugt, den Leckstrom dadurch zu verringern, dass in einem
p-seitigen Bereich der LD eine Elektronenreflexions-Barriereschicht
angebracht wird, wobei
- (a) die Zusammensetzung
dieser Barriereschicht dergestalt ist, dass sie über ein X-Minimum verfügt, das
höher als
dasjenige in einem benachbarten Teil des p-seitigen Bereichs ist,
und zwar zumindest auf diejenige Seite der Barriereschicht, die
zwischen dieser und dem aktiven Bereich vorhanden ist; und
- (b) die Dicke dieser Barriereschicht dergestalt ist, dass ein
Tunneln von Elektronen zwischen den X-Bändern benachbarter Teile des
p-seitigen Bereichs an entgegengesetzten Seiten der Barriereschicht
verhindert wird, und/oder Teile des p-seitigen Bereichs an entgegengesetzten
Seiten der Barriereschicht Zusammensetzungen aufweisen, die ausreichend
verschieden voneinander sind, um ein derartiges Tunneln zu verhindern.
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Die
Barriereschicht kann im p-Mantelbereich oder im p-seitigen, optischen
Führungsbereich
vorhanden sein. Wenn mehr als eine derartige Barriereschicht vorhanden
ist, kann die mindestens eine zusätzliche Barriereschicht in
einem oder beiden derartiger Bereiche vorhanden sein. Jedoch ist
innerhalb des p-Mantelbereichs vorzugsweise mindestens eine Barriereschicht
enthalten, und
- (a) die Zusammensetzung dieser
Barriereschicht ist dergestalt, dass das X-Minimum in ihr höher als das in einem benachbarten
Teil des p-Mantelbereichs ist, und zwar zumindestens auf derjenigen
Seite der Barriereschicht, die zwischen ihr und der optischen Führungsbereich
angeordnet ist,
- (b) die Zusammensetzung und/oder Dicke dieser Barriereschicht
dergestalt ist, dass sie über
ein Γ-Minimum
verfügt,
das höher
als das X-Minimum des genannten benachbarten Teils des p-Mantelbereichs
ist, und
- (c) die Dicke dieser Barriereschicht dergestalt ist, dass ein
Tunneln von Elektronen zwischen den X-Bändern der benachbarten Teile
des p-Mantelbereichs auf den entgegengesetzten Seiten der Barriereschicht
verhindert ist, und/oder die benachbarten Teile des genannten p-Mantelbereichs
auf entgegengesetzten Seiten der Barriereschicht über Zusammensetzungen
verfügen,
die ausreichend voneinander verschieden sind, um ein derartiges
Tunneln zu verhindern.
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Vorzugsweise
gilt: (a) die Zusammensetzung der Barriereschicht ist dergestalt,
dass das X-Minimum in ihr höher
als das in benachbarten Teilen des p-Mantelbereichs zu den beiden
Seiten der Barriereschicht ist; (b) die Zusammensetzung und/oder
die Dicke der Barriereschicht ist dergestalt, dass sie über ein Γ-Minimum
verfügt,
das höher
als die X-Minima der benachbarten Teile des p-Mantelbereichs auf
benachbarten Seiten der Barriereschicht ist; und (c) die Dicke der
Barriereschicht ist dergestalt, dass ein Tunneln von Elektronen
zwischen den X-Bändern
dieser benachbarten Teile des Mantelbereichs und/oder den benachbarten
Teilen desselben vermieden ist und/oder die benachbarten Teile dieses
p-Mantelbereichs auf entgegengesetzten Seiten der Barriereschicht
Zusammensetzungen aufweisen, die ausreichend verschieden voneinander
sind, um ein derartiges Tunneln zu verhindern.
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Wenn
sich die Barriereschicht im p-seitigen Führungsbereich befindet, verfügt sie vorzugsweise über eine
solche Zusammensetzung, dass das X-Minimum in ihr höher als
das im p-Mantelbereich ist.
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Die
Barriereschicht verfügt
vorzugsweise über
dieselbe Zusammensetzung wie der aktive Bereich.
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Der
Effekt dieser Barriereschicht besteht darin, als Barriere gegen
Barriereschicht zu wirken, die im X-Tal laufen (d.h. X-Elektronen
mit relativ niedrigerer Energie), um sie so zum aktiven Bereich
zurückzureflektieren
und ihre Drift und ihre Diffusion im p-Mantelbereich zu verhindern.
Es wird als möglich angesehen,
etwas des Ausleckens von Elektronen unter Verwendung nur einer einzelnen
Barriereschicht zu sperren, um so die Realisierung gegenüber der
oben genannten MQB zu vereinfachen, die sich, im Gegensatz zur Einzelschicht,
für ihr
Reflexionsvermögen
auf eine quantenmechanische Kohärenz
der Zustände
stützt.
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Die
Dicke der Barriereschicht wird am bevorzugtesten so gewählt, dass
der erste Zustand eingegrenzter Elektronen (e') in ihr über denen der X-Minima im Mantelbereich
und im Führungsbereich,
die benachbart sind, liegen. Mit e' an dieser Energieposition existiert
kein Zustand niedrigerer Energie, in den Elektronen thermisch relaxieren
und anschließend kombinieren
könnten.
Typischerweise beträgt
die Dicke der Barriereschicht 20 Å bis 3 Å, und sie beträgt vorzugsweise
15 Å bis
7 Å.
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Vorzugsweise
beträgt
die Dicke desjenigen Teils des p-Mantelbereichs, der zwischen der
Barriereschicht und dem optischen Führungsbereich angeordnet ist,
nicht weniger als 100 Å,
und bevorzugt liegt sie im Bereich von 100 Å bis 1 mm. Dies unterstützt die
Minimierung (1) des thermischen Entweichens von Ladungsträgern aus
dem Mantelbereich über
die durch die Barriereschicht gebildete Barriere sowie (2) das Tunneln
von Ladungsträgern
durch die Barriereschicht. Dies, da dann, wenn die Ladungsträger in diesem
Teil des Mantelbereichs thermisch zum Boden des X-Bands relaxiert
haben, dieselben die maximale Barriere zu überwinden haben und durch die
maximale Barriere tunneln müssen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
mit einer Reflexion von Elektronen ist mindestens eine zusätzliche
Barriereschicht vorhanden. Vorzugsweise nehmen Dicken der Barriere
und der mindestens einen zusätzlichen
Barriereschicht vom Führungsbereich weg
ab. Dies sorgt für
mehrere e'-Niveaus,
die vom Mantelbereich in den p-Führungsbereich
hin höher werden,
um Elektronen eine zunehmend größere Tunnelbarriere
darzubieten.
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Der
Abstand zwischen benachbarten Barriereschichten beträgt vorzugsweise
nicht weniger als 2,85 Å,
und er beträgt
vorzugsweise 7 Å bis
15 Å.
Das Material, das benachbarte Barriereschichten trennt, verfügt im Wesentlichen über dieselbe
Zusammensetzung wie der p-Mantelbereich.
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Die
SCH-LD kann eine Kanten-emittierende oder eine Oberflächen-emittierende
LD sein. die SCH-LD kann auf dem Legierungssystem (i) (InGa)P/(AlGaIn)P
oder dem Legierungssystem (ii) GaAs/(AlGa)As beruhen.
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Das
Legierungssystem (i) ist vorzugsweise das Legierungssystem: (InxGa1-x)P/(AlyGa1-y)zIn1-zPwobei 0,3 ≤ x ≤ 0,6 gilt, y im Bereich von 0
bis 1 liegt und z im Bereich von 0,3 bis 0,6 liegt. Vorzugsweise hat
z im Legierungssystem (i) den Wert 0,515, da dies die Zusammensetzung
ist, bei der Gitteranpassung an ein GaAs-Substrat besteht.
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Das
Legierungssystem (ii) ist vorzugsweise GaAs/(AlxGa1-x), wobei x im Bereich von 0,1 bis 1 liegt.
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Es
ist zu beachten, dass die Werte von x und y in den obigen Legierungssystemen
(i) und (ii) von der Zusammensetzung der Teile des p-seitigen Bereichs
abhängen,
die an die Elektronen reflektierende Barriereschicht angrenzen.
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Bei
allen obigen Ausführungsformen
befindet es sich innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, dass
die Laserdiode eine solche vom Typ mit gestuftem Brechungsindex
und mit Separate-Eingrenzungs-Heterostruktur (GRINSCH) ist.
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Die
LD kann vom Kanten-emittierenden oder vom Oberflächen-emittierenden Typ sein.
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In
den beigefügten
Zeichnungen ist Folgendes dargestellt.
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1 ist
eine schematische Darstellung des Leitungsbands und des Valenzbands
in einer bekannten LD mit Resonanztunnelinjektion, wie oben beschrieben;
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2 ist
ein schematisches Diagramm, das die Relativpositionen der Kanten
des Leitungsbands und des Valenzbands für das Legierungssystem (InGa)P/(AlyGa1-y)0,52In0,48P, wie oben beschrieben, angibt;
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3 ist
ein schematisches Diagramm der Leitungsbandkanten für Γ-Elektronen
und X-Elektronen sowie die Valenzbandkante für Γ-Elektronen bei einer typischen
(AlGa)InP/GaInP-Mehrfachquantentrog-LD, wie oben beschrieben;
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4 ist
eine der 3 ähnliche schematische Ansicht
des Leitungsbandsprofils einer ersten Ausführungsform einer SCH-LD mit
einer Elektroneneinfangschicht gemäß der Erfindung;
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5 zeigt
das Leitungsbandprofil einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen SCH-LD;
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6 zeigt
das Leitungsbandprofil einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen SCH-LD;
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7 ist
ein schematisches Diagramm des Leitungsbandprofils einer speziellen
Form der in der 1 dargestellten Resonanztunnelinjektions-LD (wobei
jedoch die Tunnelschichten entfernt sind), um zu demonstrieren,
dass in diesem Fall keine Barriere für im Quantentrogbereich eingefangene
X-Elektronen besteht;
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8 ist
ein Kurvenbild, das einen experimentellen Vergleich von Schwellenstromdichten
von (AlGaIn)P-Lasern mit und ohne Elektroneneinfangschicht gemäß der Erfindung
zeigt;
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9 ist
ein der 2 ähnliches Diagramm, das jedoch
die Relativpositionen der Kanten des Leitungsbands und des Valenzbands
für das
Legierungssystem GaAs/(AlxGa1-x)As
zeigt;
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10 ist
eine schematische, perspektivische Ansicht (nicht maßstabsgetreu)
der Schichtstruktur einer (AlGaIn)P-Kantenemissions-LD gemäß der Erfindung;
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11 ist
eine schematische Schnittansicht eines Oberflächen-emittierenden Lasers mit
Vertikalresonator (VCSEL = vertikal cavity surface emitting laser)
aus (AlGaIn)P gemäß der Erfindung;
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12 ist
eine schematische Ansicht des Leitungsbandprofils einer weiteren
Ausführungsform einer
SCH-LD mit der Elektroneneinfangschicht der 4 gemäß der Erfindung;
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13 ist
eine schematische Ansicht des Leitungsbandprofils einer weiteren
Ausführungsform einer
SCH-LD mit der Elektroneneinfangschicht der 4 gemäß der Erfindung;
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14 ist
eine schematische Ansicht des Leitungsbandprofils einer weiteren
Ausführungsform einer
SCH-LD mit der Elektroneneinfangschicht der 4 gemäß der Erfindung;
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15 ist
eine schematische Ansicht des Leitungsbandprofils einer weiteren
Ausführungsform einer
SCH-LD mit der Elektroneneinfangschicht der 4 gemäß der Erfindung
und einer Elektronen reflektierenden Barriereschicht im p-Mantelbereich;
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16 ist
eine schematische Ansicht des Leitungsbandprofils einer weiteren
Ausführungsform einer
SCH-LD mit der Elektroneneinfangschicht der 4 gemäß der Erfindung
und zweier Elektronen reflektierender Barriereschichten im p-Mantelbereich;
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17 ist
eine schematische Ansicht des Leitungsbandprofils einer weiteren
Ausführungsform einer
SCH-LD mit der Elektroneneinfangschicht der 4 gemäß der Erfindung
und dreier Elektronen reflektierender Barriereschichten im p-Mantelbereich;
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18 ist
eine schematische Ansicht des Leitungsbandprofils einer weiteren
Ausführungsform einer
SCH-LD mit der Elektroneneinfangschicht der 4 gemäß der Erfindung
in einem optischen Führungsbereich
mit gestuftem Index und einer Elektronen reflektierenden Barriereschicht
im p-Mantelbereich; und
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19 und 20 sind
schematische Ansichten weiterer Ausführungsform erfindungsgemäßer SCH-LDs.
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Es
wird nun auf die 4 Bezug genommen, gemäß der die
SCH-LD vom bereits beschriebenen Typ ist und im Wesentlichen einen
aktiven Bereich 10 innerhalb eines optischen Führungsbereichs 12 aufweist,
der aus einem n-seitigen Führungsbereich 12a und
einem p-seitigen Führungsbereich 12b besteht, wobei
an entgegengesetzten Seiten des optischen Führungsbereichs 12 ein
n- und ein p-Mantelbereich 14 und 16 angeordnet
sind. Bei dieser Ausführungsform
ist der aktive Bereich 10 ein solcher mit Mehrfachquantentrog,
wobei die Quantentröge 37 aus Ga0,5In0,5P bestehen,
getrennt durch Barrieren des aktiven Bereichs die aus denselben
Legierungen wie der optische Führungsbereich 12,
nämlich (Al0,5Ga0,5)0,5In0,5P bestehen.
Der n-Mantelbereich 14 besteht aus (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P, das mit n-Dotieratomen dotiert ist,
während
der p-Mantelbereich 16 aus derselben Legierung wie der
Bereich 14, jedoch dotiert mit p-Dotieratomen, besteht.
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Gemäß der Erfindung
ist im n-seitigen Führungsbereich 12a direkt
angrenzend an einen der Quantentröge des aktiven Bereichs 10 eine
Elektroneneinfangschicht 36 vorhanden. Bei dieser Ausführungsform
verfügt
die Schicht 36 über
dieselbe Grundlegierungszusammensetzung wie die Mantelbereiche 14 und 16,
d.h. (Al0,7Ga0,3)0,5In0,5P. Diese
Zusammensetzung der Schicht 36 verfügt über ein X-Minimum, das energetisch
niedriger liegt als die entsprechenden X-Minima in den benachbarten
Teilen des n-Führungsbereichs 12a und
des benachbarten Quantentrogs im aktiven Bereich 10. Die
Schicht 36 verfügt
typischerweise über
eine Dicke von ungefähr
15 Å.
Die Dicke reicht dazu aus, dass es möglich ist, auf effektive Weise
Elektronen zu binden, die im X-Zustand in die Schicht 36 injiziert
wurden, jedoch ist sie ausreichend dünn dafür, dass ein angemessenes Tunneln
von Γ-Elektronen
durch sie in den benachbarten Quantentrog ermöglicht ist, um den Einfang
derartiger Elektronen nicht zu behindern.
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Bei
der in der 5 dargestellten Ausführungsform
ist das Bauteil dasselbe wie das der 4, jedoch
mit der Ausnahme, dass die Elektroneneinfangschicht 36 um
mehrere Angström
vom nächstliegenden
Quantentrog 37 des aktiven Bereichs 10 beabstandet
ist, was ausreichend klein ist, um einen ausreichenden Transport
gebundener X-Elektronen von der Schicht 36 in die Γ-Zustände (TC,
SC, FC) im Quantentrog zu erlauben (ein Abstand von mehr als 50 Å verhindert
auf effektive Weise jeden derartigen Transport).
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Es
wird nun auf die 6 Bezug genomen, wobei bei dieser
Ausführungsform
die Anordnung diejenige ist, wie sie unter Bezugnahme auf die 4 beschrieben
wurde, jedoch mit der Ausnahme, dass bei dieser Ausführungsform
die Dicke der Elektroneneinfangschicht 36 so optimiert
ist, dass Γ-Elektronen
hoher Energie nicht durch die Schicht 36 tunneln sondern
statt dessen an ihr reflektiert werden. Aus diesem Grund verfügt die Schicht 36 über eine
Dicke von ungefähr
50 Å.
Derartige Γ-Elektronen
hoher Energie, die reflektiert wurden, relaxieren dann energetisch,
und sie gelangen durch den X-Zwischenzustand in der Schicht 36 in
den Quantentrog des aktiven Bereichs 10, wie es aus den
Pfeilen in der 6 erkennbar ist. Es ist zu beachten,
dass der Unterschied zwischen dem hier beschriebenen Effekt und der
durch Bhattacharya et al. (siehe oben) beschriebenen Tunnelinjektion
darin besteht, dass im letzteren Fall keine X-Niveaus eine Rolle
spielen, wobei auch bei erfindungsgemäßen LDs keinerlei Resonanztunneleffekt
vorliegt.
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Dies
wird unter Bezugnahme auf die beigefügte 7 ersichtlich,
die zeigt, dass der aktive Bereich 10 sowohl für den Γ-Zustand
als auch X-Elektronen einen Quantentrog bildet. Die 7 zeigt
die Situation für
das Beispiel, das in der Tabelle 1 von Bhattacharya et al. (siehe
oben) angegeben ist, wobei die zwei Resonanztunnelbarrieren (in
der 7 nicht dargestellt) jeweils 20 Å dick sind
und aus AlAs bestehen und durch einen Tunneltrog (in der 7 nicht
dargestellt) voneinander getrennt sind, der eine Dicke von 40 Å aufweist
und aus In0,10Ga0,90As
besteht. Eine derartige Anordnung ist zwischen (i) einem aktiven
Bereich mit einem aktiven Quantentrog mit einer Weite von 80 Å, der aus
demselben Material wie der Tunneltrog besteht und (ii) einem n-seitigen Führungsbereich
mit einer Dicke von 0,1 mm, bestehend aus GaAs, vorhanden; dabei
besteht ein p-seitiger Führungsbereich
aus Al0,30Ga0,70As,
und ein n- und ein p-Mantelbereich bestehen jeweils aus dotiertem
Al0,6Ga0,4As.
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Es
wird nun auf die 8 Bezug genommen, in der die
Schwellenstromdichten sogenannter großflächiger Laser dargestellt sind,
die mit gepulster elektrischer Injektion arbeiten. Es handelt sich
um Begriffe, die dem Fachmann für
die Herstellung und das Testen von Laserdioden vertraut sind. Ergebnisse
sind für
einen sogenannten "Standardlaser", ähnliche
dem, wie er in der 3 dargestellt ist, veranschaulicht.
Der Standardlaser wurde unter Verwendung einer als Gasquellen-Molekularstrahlepitaxie (GSMBE)
bekannten Epitaxiezüchtungstechnik
hergestellt, jedoch hätte
er auch unter Verwendung irgendeiner anderen alternativen Epitaxiezüchtungstechnik
hergestellt werden können,
wie Feststoffquelle-Molekularstrahlepitaxie (SSMBE) oder metallorganischer
Dampfphasenepitaxie (MOVPE). Beim Standardlaser bestehen der n-
und der p-Mantelbereich 14 und 16 aus (Al0,7Ga0,3)0,515In0,485P, der
optische Führungsbereich 12 besteht
aus (Al0,5Ga0,5)0,5In0,5P, und er
umgibt einen aktiven Bereich 12 mit drei Quantentrögen der
Zusammensetzung Ga0,515In0,485P und
einer dicke von 100 Å,
getrennt durch Barrieren aus (Al0,5Ga0,5)0,515In0,485P.
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Der "Einfangsschichtlaser" hat dieselbe Struktur
wie der "Standardlaser", abgesehen vom Zusatz
einer 15 Å dicken
Elektroneneinfangschicht 36 aus (Al0,7Ga0,3)0,515In0,485P, die sich im n-seitigen Führungsbereich 12 angrenzend
an den aktiven Bereich 10 befindet, wie es oben unter Bezugnahme
auf die 4 beschrieben wurde.
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Wie
es aus der 8 erkennbar ist, ist die Schwellenstromdichte
beim Einfangsschichtlaser, der ein erfindungsgemäßer Laser ist, ungefähr 17% kleiner
als die beim "Standardlaser".
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Die
Erfindung ist anwendbar, um mindestens eine Elektroneneinfangschicht
in irgendeinem geeigneten Halbleitermaterialsystem anzubringen,
in dem mehrere Leitungsbandminima existieren. Diese Minima verfügen über von
der Zusammensetzung abhängige
Energien, d.h., dass für
spezielle Halbleiterzusammensetzungen indirekte Talminima (X-Tal
oder L-Tal, wobei das Letztere ein anderes Leitungsbandminimum ist)
niedriger als das Γ-Minimum
sind, und dann kann eine aus derartigen Halbleitern aufgebaute Heterostruktur
den Typ von Bandanordnung zeigen, wie er in der oben erläuterten 3 dargestellt ist.
In derartigen Fällen
verbessert die Verwendung mindestens einer Elektroneneinfangschicht
gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung die Eigenschaften von Lasern, die aus
diesen Halbleitern bestehen. Ein Beispiel eines derartigen Systems
ist AlGaAs, wobei das Leitungsbandminimum bei einer Aluminiumkonzentration
von ungefähr
0,55 vom Γ-Typ
auf den X-Typ wechselt. Dies ist in der beigefügten 9 dargestellt.
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Es
wird nun auf die 10 Bezug genommen, gemäß der die
dort dargestellte Kanten emittierende LD über eine Schichtstruktur mit
Folgendem verfügt:
einer (InGa)P-Schicht 10, die den aktiven Bereich mit Quantentrog
bildet; undotierte (AlGaIn)P-Schicht 12a und 12b,
die den n- bzw. p-seitigen optischen Führungsbereich bilden; einer
n-dotierten (AlGaIn)P-Schicht 14, die den n-Mantelbereich
bildet; einer p-dotierten (AlGaIn)P-Schicht 16, die den
p-Mantelbereich bildet; und einer Elektroneneinfangschicht 36,
die aus derselben Grundlegierungszusammensetzung wie die (AlGaIn)P-Schicht 14 und 16 besteht.
Die Funktionen, denen diese Schichten dienen, sind aus der vorigen
Beschreibung leicht ersichtlich. Diese Schichten werden epitaktisch auf
einem n-dotierten GaAs-Substrat 18 mit einer n-dotierten
GaAs-Pufferschicht 20 darauf auf eine weiße epitaktisch
gezüchtet,
die vom Fachmann gut verstanden ist. Als oberste Schicht der LD
ist eine n-dotierte GaAs-Kontaktschicht 21 vorhanden. Auf der
Oberseite der Schicht 21 und unter dem Sub strat 18 sind
ein p-seitiger Metallkontakt 22 bzw. ein n-seitiger Metallkontakt 32 vorhanden.
Durch Spaltkanten orthogonal zur Ebene des Substrats 18 sind
Laserspiegelflächen 24 gebildet.
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Die
Kanten emittierende LD der 10 arbeitet
auf eine Weise, die vom Fachmann gut zu verstehen ist, wenn er die
vorige Beschreibung berücksichtigt,
so dass, im Gebrauch, eine Kantenemission von Licht in der Richtung
des in der 10 dargestellten Pfeils erfolgt.
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Das
VCSEL-Bauteil der 11 wird dadurch auf einem n-dotierten
GaAs-Substrat 18 mit einer n-dotierten GaAs-Pufferschicht 20 darauf
hergestellt, dass ein epitaktisches Abscheiden und Ätzen nach Bedarf
auf eine in der Technik gut bekannte Weise erfolgen. In der 11 sind
der aktive Bereich 10 mit Quantentrog und die optische
Führungsbereich 12 der
Zweckdienlichkeit halber als einzelne Schicht dargestellt, jedoch
werden in der Praxis die verschiedenen Bereiche 12a, 10 und 12b (wie
bereits beschrieben) aufeinanderfolgend gezüchtet. Die Führungsbereiche 12a und 12b sind
undotiert. Die Elektroneneinfangschicht 36 ist innerhalb
des n-seitigen optischen Führungsbereichs 12a angrenzend
an den aktiven Bereich 10 auf die oben in Zusammenhang mit
der 4 beschriebene Weise vorhanden. Eine n-dotierte
(AlGaIn)P-Schicht 14 bildet einen n-dotierten Abstandshalterbereich,
der einen Teil der Ummantelung des VCSEL bildet. Eine p-dotierte
(AlGaIn)P-Schicht 16 bildet
einen p-dotierten Abstandshalterbereich, der ebenfalls einen Teil
der Ummantelung des VCSEL bildet. Ein oberer und ein unterer Braggreflektor
(DBR) 26 und 28 vom p- und vom n-Typ sind ebenfalls
auf für
sich in der Technik gut bekannte Weise in der Schichtstruktur vorhanden.
Der obere DBR 26 ist durch eine ringförmige, elektrisch isolierende
Polymer-Stromeingrenzungsschicht 30 umgeben. Über dem
DBR 26 und der Schicht 30 ist ein ringförmiger,
oberer p-Kontakt 22 vorhanden. An der Unterseite des Substrats 18 ist
ein n-Kontakt 32 vorhanden.
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Wie
es für
VCSELs gut bekannt ist, erfolgt Lichtemission durch eine zentrale Öffnung im
ringeförmigen,
oberen Kontakt 22 in der Richtung, wie sie in der 11 durch
den Pfeil gekennzeichnet ist.
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Die 12 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, bei der der aktive Bereich 10 zwei Quantentröge 37 enthält und die
Elektroneneinfangschicht 36 zwischen diesen platziert ist.
Das Positionieren der Elektroneneinfangschicht auf diese Weise bedeutet,
dass die Γ-Elektronen
eine erhöhte Energie
benötigen,
um aus den Quantentrögen
in das Γ-Minimum
in der Elektroneneinfangschicht zu entweichen. Darüber hinaus
sorgt das relativ hoch energetische X-Minimum des Quantentrogmaterials dafür, dass
das Trogmaterial selbst als Barriere gegen jegliche X-Elektronen
wirkt, die ihren Weg in die Elektroneneinfangschicht finden können.
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Die 13 zeigt
eine Modifizierung der Ausführungsform
der 12. Bei dieser modifizierten Ausführungsform
verfügt
der aktive Bereich 10 über drei
Quantentrogschichten 37. Es sind zwei Elektroneneinfangschichten 36, 36 vorhanden,
jeweils eine zwischen jedem Paar benachbarter Quantentröge.
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Die 14 veranschaulicht
eine Modifizierung der in der 4 dargestellten
Ausführungsform. Im
p-Führungsbereich 12b ist
benachbart zum aktiven Bereich 10 eine zusätzliche
Elektroneneinfangschicht 36 vorhanden. Durch das Anbringen
einer Elektroneneinfangschicht an jeder Seite des aktiven Bereichs
wird es X-Elektronen ermöglicht,
nahe dem aktiven Bereich eingefangen zu werden, so dass sie in einen
Energietrog im aktiven Bereich relaxieren können. Die Elektroneneinfangschichten
sind vorzugsweise im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf den aktiven
Bereich angeordnet, wie es in der 14 dargestellt
ist, und sie verfügen
im Wesentlichen über
dieselbe Zusammensetzung und Dicke. Dies ermöglicht es, die optische Mode
des emittierten Laserlichts dadurch zu verbessern, dass die Symmetrie
des Brechungsindexprofils des optischen Führungsbereichs verbessert wird.
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Es
wäre auch
möglich,
die in der 5 dargestellte Ausführungsform
dadurch zu modifizieren, dass eine zweite Elektroneneinfangschicht
innerhalb des p-Führungsbereichs 12b angebracht
wird.
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Es
wird nun auf die 15 Bezug genommen, d.h. die
oben in Zusammenhang mit der 4 beschriebene
Anordnung, jedoch mit der Ausnahme, dass zusätzlich zur Elektroneneinfangschicht 36 im p-Mantelbereich 16 eine
Elektronen reflektierende Barriereschicht 6 vorhanden ist.
In der 15 kennzeichnet L16 die
Dicke des p-Mantelbereichs 16. Es ist ersichtlich, dass
das X-Minimum im p-Mantelbereich 16 unter dem im p-seitigen
Führungsbereich 12b liegt.
Dies bedeutet, dass jegliche Elektroden, die thermisch in das X-Band des Führungsbereichs 12b angeregt
werden, thermisch in das X-Band im p-Mantelbereich 16 relaxieren,
wo sie, beim Fehlen der Barriereschicht 6, frei wären, entweder
zu rekombinieren (Verlust) oder zu driften und vom aktiven QW-Bereich
weg zu diffundieren (weiterer Verlust).
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Um
derartige Verluste zu verringern, ist die Barriereschicht 6,
die an (In Ga)P-Gitter angepasst ist und die Dicke L6 aufweist,
in einen undotierten Abschnitt des p-Mantelbereichs 16 eingefügt, wie
es schematisch dargestellt ist. Die Dicke L 6 ist so gewählt, dass
sie einem solchen Wert entspricht, dass der erste Zustand (e') eingegrenzter Elektronen über dem
der X-Minima im Mantelbereich 12b und im Führungsbereich 16 liegt.
Wenn sich e' an
dieser Energieposition befindet, ist dadurch kein Zustand niedrigerer
Energie gebildet, in den Elektronen thermisch relaxieren könnten, wobei
sie anschließend
rekombinieren könnten.
So definiert e' auf
effektive Weise das Γ-Minimum
in der Barriereschicht 6. Wenn die Barriereschicht 6 aus
(InGa)P mit Gitteranpassung an z.B. GaAs besteht, betrüge ein geeigneter
Wert von L6 15 Å oder weniger. Es ist immer
noch möglich, das
Ladungsträger
im X-Tal des Mantelbereichs 16 über zwei Wege entweichen: (1)
thermisches Entweichen aus dem Mantelbereich 16 über die
Obergrenze der durch den Eingrenzungspegel e' gebildeten Barriere oder (2) Tunneln
durch die Barriereschicht 6, wobei erneut die Barrierehöhe e' beträgt. Die
Barrierehöhe
wird durch e' und
nicht durch das X-Minimum in (InGa)P bestimmt, und zwar auf Grund
der Γ-X-Wellenfunktion,
wie sie an der Heteroübergangs-Grenzfläche auftritt.
Die obigen Mechanismen (1) und (2) sind dann minimal, wenn die Ladungsträger im Mantelbereich 16 thermisch
an den Boden des X-Bands relaxiert haben, wo sie die maximale Barriere
zu übersteigen
haben und durch die maximale Barriere zu tunneln haben. Die Dicke
L16 des Mantelbereichs 16 sollte
idealerweise so eingestellt werden, dass sie an eine derartige Situation
angepasst ist. Eine Dicke L16 von > 100 Å wird als
in dieser Hinsicht unterstützend
angesehen.
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Ein
spezielles Beispiel dieses LD-Typs, nämlich der oben unter Bezugnahme
auf die 8 beschriebene Einfangschichtlaser,
ist mit der Barriereschicht 6 als ≈ 12 Å dicke Schicht aus Ga0,515In0,485P gebildet,
die im Wesentlichen ≈ 300 Å entfernt
vom Anfang des Führungsbereichs 12b liegt.
Die Schwellenstromdichte einer derartigen LD ist um ungefähr 33% kleiner
als die des oben unter Bezugnahme auf die 8 genannten "Standardlasers".
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Es
wird nun auf die 16 Bezug genommen, nämlich die
oben in Zusammenhang mit der 5 beschriebene
Anordnung, jedoch mit der Ausnahme, dass zusätzlich zur Elektroneneinfangschicht 36 zwei
Elektronen reflektierende Barriereschichten 6a und 6b im
p-Mantelbereich 16 vorhanden sind, die durch eine Schicht 7a eines
quaternären
Mantelmaterials, nämlich
(AlGaIn)P getrennt sind. In diesem Fall ist die Barriereschicht 6a dicker
als die Barriereschicht 6b, um für eine ansteigende Stufe von
Niveaus e' zu sorgen,
um Elektronen eine erhöhte
Tunnelbarriere darzubieten.
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Es
wird nun auf die 17 Bezug genommen, d.h. die
oben in Zusammenhang mit der 6 beschriebene
Anordnung, jedoch mit der Ausnahme, dass zusätzlich zur Elektroneneinfangschicht 36 drei Elektronen
reflektierende Barriereschichten 6a, 6b und 6c im
p-Mantelbereich 16 vorhanden sind, die durch jeweilige
Schichten 7a und 7b eines quaternären Mantelmaterials,
nämlich
(AlGaIn)P getrennt sind. In diesem Fall werden die Dicken derartiger Barriereschichten 6a, 6b und 6c innerhalb
des p-Mantelbereichs 16 so gewählt, dass sie fortschreitend
weg vom Führungsbereich 12b kleiner
werden. Dies sollte dann für
eine ansteigende Treppe von Niveaus e' sorgen, um Elektronen eine erhöhte Tunnelbarriere
darzubieten. Typische Dicken können
12 Å, 7 Å und 5 Å für die drei
Barriereschichten 6a, 6b bzw. 6c sein.
Der Abstand zwischen benachbarten Barriereschichten in den 16 und 17 beträgt vorzugsweise
mindestens 2,85 Å,
und bevorzugter liegt er im Bereich von 7 Å bis 15 Å.
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Es
wird nun auf die 18 Bezug genommen, nämlich die
oben in Zusammenhang mit der 4 beschriebene
Anordnung, jedoch mit der Ausnahme, dass im p-Mantelbereich eine
Elektronen reflektierende Barriereschicht 6 vorhanden ist
und die Schichten 36 und 6 in einer Separate-Eingrenzungs-Heterostruktur
mit gestuftem Brechungsindex (GRINSCH-LD) verwendet sind. Hierbei
variiert die Energielücke
in jedem der optischen Führungsbereiche 12a und 12b auf
gestufte Weise von den jeweiligen Mantelbereichen 14 und 16 zum
aktiven Bereich 10 der Heterostruktur. Diese Abstufung
muss nicht notwendigerweise linear sein, wie es in der 18 dargestellt
ist.
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Es
wird nun auf die 19 Bezug genommen, nämlich die
oben in Zusammenhang mit der in 15 beschriebenen
Anordnung, jedoch mit der Ausnahme, dass im p-seitigen Führungsbereich 12b nahe
dem p-Mantelbereich 16 eine weitere Elektronen reflektierende
Barriereschicht 6' mit
demselben Aufbau wie dem der Barriereschicht 6 vorhanden
ist. Die Barriereschicht 6' verfügt über eine
Dicke von 5 bis 10 Å (wobei
sie jedoch eine Dicke zwischen 5 und 50 Å aufweisen kann). Die Anordnung
ist dergestalt, dass das erste Energieniveau e' eingegrenzter Elektronen in der Barriereschicht 6' nahe dem Γ-Minimum in den benachbarten
Teilen des Führungsbereichs 12b an
entgegengesetzten Seiten der Schicht 6' liegt. Wie es aus der 19 erkennbar
ist, ist e' in der Schicht 6' höher als
die Bindungsenergieniveaus im aktiven Bereich 10.
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Es
wird nun auf die 20 Bezug genommen, nämlich die
oben in Zusammenhang mit der 15 beschriebene
Anordnung, jedoch mit der Ausnahme, dass die Elektronen reflektierende
Barriereschicht 6 im p-seitigen Führungsbereich 12b nahe dem
p-Mantelbereich 16 statt im p-Führungsbereich 16 selbst
vorhanden ist. Die Barriereschicht 6 verfügt über eine
Dicke von 5 bis 10 Å (wobei
sie jedoch eine Dicke zwischen 5 und 50 Å aufweisen kann). Die Anordnung
ist dergestalt, dass das erste Energieniveau e' eingegrenzter Elektronen in der Barriereschicht 6 nahe
dem Γ-Minimum
in den benachbarten Teilen des Führungsbereichs 12b an
entgegengesetzten Seiten der Schicht 6 liegt. Wie es aus
der 20 erkennbar ist, ist e' in der Schicht 6 höher als
die Bindungsenergieniveaus im aktiven Bereich 10.