DE69924439T2

DE69924439T2 - Quantenkaskadierte Lichtemissionsquelle mit vorgespanntem internem elektronischem Potential

Info

Publication number: DE69924439T2
Application number: DE69924439T
Authority: DE
Inventors: Frederico Westfield Capasso; Alfred Summit Yi Cho; Claire F. Millburn Gmachl; Albert Lee Piscataway Hutchinson; Deborah Lee Warren Sivco; Alessandro Summit Tredicucci
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1998-09-23
Filing date: 1999-09-14
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2019-09-15
Also published as: JP2000101201A; JP3522606B2; EP0989644A1; DE69924439D1; EP0989644B1; US6055254A

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Supergitter-(SL)-Halbleiterbauelemente und insbesondere Quantenkaskaden-(QC)-SL-Halbleiterlichtemitter (z.B. Laser).
Stand der Technik
Halbleiter-SLs sind mehrschichtige Strukturen mit einzigartigen elektronischen Eigenschaften. Diese Strukturen umfassen einen periodischen Stapel aus alternierenden dünnen (z.B. nanometerdicken) Schichten aus zwei verschiedenen Halbleitermaterialien mit verschiedenen Bandlücken (d.h. niedrigere-Bandlücke-Quantentopf-(QW)-Schichten, die mit Barrierenschichten mit breiterer Bandlücke verschachtelt sind). Wie von G. Scamarcio et al., Science, Band 276, S. 773–776 (Mai 1997) beschrieben wird, ist die Periode dieser Struktur (~5 nm) in der Regel viel größer als die Gitterkonstante der Volumenkristallbestandteile (~0,5 nm). Dieses überlagerte Potential teilt die Leitungs- und Valenzbänder in eine Serie von viel schmaleren Bändern auf (in der Regel zehn bis einige hundert Millielektronenvolt breit im starken Tunnelkoppelungsbereich), die als Minibänder bezeichnet werden und die durch Energielücken (Minilücken) entlang der senkrecht zu den Schichten verlaufenden Richtung getrennt sind. Ein Miniband auszubilden erfordert, daß die Wellenfunktionen der Zustände in jedem der QWs delokalisiert werden; d.h. die Wellenfunktionen erstrecken sich über viele QWs, was somit andeutet, daß die QWs stark aneinander gekoppelt sind; sie sind nicht lokalisiert, wobei dann die QWs effektiv voneinander entkoppelt sind.
Ein interessantes Merkmal von SLs, ihre lange Inter-Miniband-Relaxationszeit im Vergleich zu der Intra- Miniband-Relaxationszeit, wurde zur Entwicklung eines SL-QC-Lasers mit intrinsischer Populationsinversion und sehr großen Stromführungsfähigkeiten und optischen Leistungsausgaben verwendet. Bei diesen QC-Lasern werden die Wiederholeinheiten des aktiven Gebiets (Strahlungsübergangsgebiete (RT) plus verschachtelte Injektions-/Relaxationsgebiete (I/R)) durch SLs gebildet. Siehe beispielsweise Scamarcio et al., Supra, und A. Tredicuddi et al., Appl. Phys. Lett., Band 72, Nr. 19, S. 2388–2390 (Mai 1998). In beiden Fällen wurde eine Lasertätigkeit in jedem RT-Gebiet zwischen Minibändern durch unipolare (Elektronen-)Injektion durch Minibandtransport durch jedes I/R-Gebiet erreicht. Der vertikale Laserübergang zwischen Energiezuständen am Boden eines oberen Leitungsminibands und leeren Zuständen in der Nähe der Oberseite eines unteren Leitungsminibands fand bei einer Photonenenergie weit unter der Energiebandlücke der Barrieren- und QW-Materialien statt. Die Mittenwellenlänge dieser QC-SL-Laser wird durch die Minilücke bestimmt und kann über ein großes Gebiet des IR-Spektrums gewählt werden, indem die Barrieren- und QW-Dicken geändert werden.
Damit QC-SL-Laser ordnungsgemäß funktionieren, muß ein Flachbandzustand der Minibänder vorliegen; d.h., zwei Bedingungen müssen erfüllt sein: (1) Makroskopische Ausrichtung der RT- und I/R-Gebiete aufeinander und (2) mikroskopische Ausrichtung der oberen und unteren Laserenergieniveaus über die RTs hinweg. In Gegenwart eines angelegten Felds (z.B. das quer zu den Schichten angelegte externe Bias zum Induzieren einer Laserwirkung) verschieben sich die Quantenzustände von QW-Schicht zu QW-Schicht zu immer höheren Energien in Richtung des Felds. Bei dem QC-SL-Laser von Scamarcio et al. wurde dieses Problem durch starkes Dotieren aller RT-Gebiete angegangen, so daß die Dotierstoffionen und entsprechende extrinsische Elektronen ein abschirmendes Feld erzeugten, das das angelegte Feld kompensierte (d.h. ein signifikantes Eindringen des Felds in das aktive Gebiet verhinderte). Andererseits wurden bei dem QC-SL-Laser von Tredicucci et al. nur die Enden der I/R-Gebiete, die bei den RT-Gebieten lagen, dotiert. Hier wirkten die Dotierstoffionen und ihre extrinsischen Elektronen wie gegenüberliegende Platten eines Kondensators, um das angelegte Feld abzuschirmen. Auf diese Weise waren die SL-Gebiete fast feldfrei, wobei das obere Miniband jeder Wiederholeinheit auf das untere Miniband der vorausgegangenen, benachbarten Einheit ausgerichtet war (in Richtung des Elektronenflußes). Jedoch führte die relativ hohe Konzentration an extrinsischen Elektronen (Schichtdichte pro Periode von 7–8 × 10¹¹ cm bei dem Laser von Tredicucci et al.) zu hohen Absolutwerten des Schwellwertstroms sowie einem mit der Temperatur schnell zunehmenden Schwellwertstrom.
Es besteht somit weiterhin ein Bedarf in der Technik der QC-SL-Laser an einem Design, das den erwünschten Flachbandzustand der oberen und unteren Minibänder erzielt, ohne daß im wesentlichen feldfreie SLs erforderlich sind; z.B. ohne die Notwendigkeit, zum Kompensieren des angelegten Felds Dotierstoffe einzufügen.
Kurze Darstellung der Erfindung
Ein Lichtemitter gemäß der Erfindung ist wie in Anspruch 1 dargelegt. Bevorzugte Formen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird von uns das tatsächliche Elektronikpotential "im voraus vorgespannt", indem die SL-Periode (und somit die mittlere Zusammensetzung) variiert wird, um ein im Durchschnitt im wesentlichen flaches Profil von oberen und unteren Minibändern trotz der Gegenwart eines angelegten Felds in den SLs zu erzielen, anstatt zu versuchen, die SLs eines QC-Lasers feldfrei zu halten. Die Definition des Ausdrucks "im voraus vorspannen" wird weiter unten eingehender entwickelt. Beispielsweise werden bei einer Ausführungsform bei mindestens einer Teilmenge der QW-Laser die Dicken der QW-Schichten von QW-Schicht zu QW-Schicht variiert, so daß sie in Richtung des angelegten Felds zunehmen. Bei dieser Ausführungsform befinden sich das obere und untere Laserniveau bei Abwesenheit eines angelegten elektrischen Felds jeweils bei verschiedenen Energien von Schicht zu Schicht innerhalb der ersten Teilmenge, so daß trotz der Gegenwart eines angelegten Felds der gewünschte Flachbandzustand der oberen und unteren Minibänder realisiert wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Dicken der QW-Schichten innerhalb der ersten Teilmenge von QW-Schicht zu QW-Schicht variiert, so daß sie in Richtung des angelegten Felds zunehmen. Bei einer anderen Ausführungsform werden die Dicken einer zweiten Teilmenge der Barrierenschichten ebenfalls von Barrierenschicht zu Barrierenschicht innerhalb einer zweiten Teilmenge variiert, damit sie in der Richtung des angelegten Felds variieren (entweder zunehmen oder abnehmen).
Die Grundlagen der vorliegenden Erfindung lassen sich natürlich auf QC-SL-Lichtemitter im allgemeinen und spezifisch auf Lichtemitter mit spontaner Emission sowie Laser anwenden.
Ein Verfahren zum Herstellen eines QC-SL-Lichtemitters umfaßt die folgenden Schritte: (1) Herstellen einer Vielzahl von unipolaren SL-RT-Gebieten, die mit I/R-Gebieten verschachtelt sind, wobei jedes RT-Gebiet mehrere mit Barrierenschichten verschachtelte QW-Schichten enthält, wobei die QW-Schichten Energiezustände aufweisen, die durch obere und untere Minibänder gekennzeichnet sind, und (2) Erhöhen der Dicken der QW-Schichten von QW-Schicht zu QW-Schicht in mindestens einer ersten Teilmenge der QW-Schichten in einer quer zu den Schichten verlaufenden ersten Richtung. Eine alternative Ausführungsform enthält den zusätzlichen Schritt, in mindestens einer zweiten Teilmenge von Barrierenschichten die Dicken der Barrierenschichten von Barrierenschicht zu Barrierenschicht in der gleichen Richtung zu variieren (zu senken oder zu erhöhen), so daß trotz des Vorliegens eines angelegten Felds innerhalb der SLs der erwünschte Flachbandzustand der oberen und unteren Minibänder realisiert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Unsere Erfindung kann man zusammen mit ihren verschiedenen Merkmalen und Vorteilen ohne weiteres an Hand der folgenden, ausführlicheren Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines QC-SL-Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein schematisches Leitungsbandprofil von zwei von einem I/R-Gebiet überbrückten SL-Gebieten bei einem designelektrischen Feld von 45 kV/cm;
3 ein schematisches Leitungsbandprofil, das einen typischen Flachbandzustand der Minibänder in Gegenwart eines angelegten elektrischen Felds zeigt, das im Stand der Technik beispielsweise durch Einführen von Dotierstoffen erzielt werden könnte, um das angelegte Feld abzuschirmen (oder zu kompensieren);
4 ein schematisches Leitungsbandprofil eines "im voraus vorgespannten" SL bei Fehlen eines angelegten elektrischen Felds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine Familie der Licht-Strom-(L-I)-Charakteristiken bei verschiedenen Temperaturen (5 K bis 295 K) eines QC-SL-Lasers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Daten wurden mit einer f/0.8-Optik und einem kalibrierten, auf Raumtemperatur befindlichen HgCdTe-Detektor aufgezeichnet, um die Ausgabe von einer einzelnen Laserfacette mit einer Sammelwirksamkeit von etwa 50% zu detektieren. Der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgelegte Laser (3 mm lang und 17,7 μm breit) wurde in einer gepulsten Betriebsart (50 ns Impulsbreite und 5 kHz Wiederholfrequenz) angesteuert, wobei die Messungen unter Verwendung eines justierbaren gattergesteuerten Mittelwertbildners vorgenommen wurden. Es ist auch die Strom-Spannung-(I-V)-Charakteristik bei 5 K gezeigt;
6 die mittlere emittierte optische Leistung bei Raumtemperatur von einer einzelnen Facette eines QC-SL-Lasers bei Messung mit einer Sammelwirksamkeit von fast Eins gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Laser (3 mm lang und 14,2 μm breit) aus der Probe D2404 wurde mit Stromimpulsen mit einer Dauer von 100 ns mit einem Tastverhältnis von 5% angesteuert. Der Einsatz zeigt die gemessenen Schwellwertstromdichten des Lasers von 5 zusammen mit der theoretischen Kurve;
7 die optische Spitzenleistung als Funktion des Ansteuerstroms und bei verschiedenen Temperaturen bei Aufzeichnung von einer einzelnen Facette von breitflächigen Lasern aus der Probe D2404 bei einer Sammelwirksamkeit von etwa 50%. Die durchgezogene und gestrichelte Linien beziehen sich auf zwei verschiedene Bauelemente, die jeweils 2,25 mm lang waren. In dem Einsatz ist ein typisches gepulstes Spektrum der Laseremission bei Raumtemperatur gezeigt; und
8 eine L-I-Dauer-Charakteristik eines Lasers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Laser war 2,26 mm lang und 10,8 μm breit aus der Probe D2433 bei Messung von einer einzelnen Bauelementfacette mit einer Sammelwirksamkeit von fast Eins. Der Einsatz zeigt ein bei 20 K aufgezeichnetes Dauer-Spektrum unmittelbar über dem Laserschwellwert.
Im Interesse der Deutlichkeit und Einfachheit sind die 1–4 nicht maßstabsgetreu gezeichnet worden. Bei der Beschreibung physikalischer oder optischer Abmessungen steht außerdem das Symbol A für Angstrom, wohingegen es beim Beschreiben von elektrischen Strömen für Ampere steht.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Nunmehr unter Bezugnahme auf 1 umfaßt ein QC-SL-Halbleiterlichtemitter (z.B. Laser) 10 ein aktives QC-SL-Gebiet 14, das zwischen ein oberes Mantelgebiet 16 und ein unteres Substrat 12, das als ein unteres Mantelgebiet dient, geschichtet ist. Alternativ kann ein unteres, vom Substrat getrenntes Mantelgebiet zwischen dem Substrat und dem aktiven Gebiet ausgebildet sein. Das obere Mantelgebiet 16 ist beispielhaft in Form einer Mesa oder eines Trapezoids, ausgebildet, was für Stegwellenleiter-Laserstrukturen typisch ist. Die Mesa kann wie gezeigt flach geätzt sein, um an dem aktiven Gebiet 14 aufzuhören, oder sie kann tief geätzt sein, so daß sich die Mesa in das aktive Gebiet erstreckt. In jedem Fall ist eine elektrische isolierende Schicht 18 (zum Beispiel Si₃N₄ oder SiO₂) über der Oberseite des Bauelements ausgebildet und strukturiert, um eine Öffnung zu bilden, die einen Abschnitt der Oberseite der Mesa freilegt. Eine erste Elektrode 20 ist über der isolierenden Schicht 18 und in der Öffnung ausgebildet, um das obere Mantelgebiet zu kontaktieren (üblicherweise mit Hilfe einer stark dotierten Kontakterleichterungsschicht, nicht gezeigt), und eine zweite Elektrode 22 ist auf dem Substrat 12 ausgebildet.
Bei dem Substrat selbst kann es sich um einen einkristallinen Halbleiterkörper oder um eine Kombination aus einem derartigen Körper mit einer anderen Schicht handeln (z.B. einer auf der oberen Oberfläche des Körpers aufgewachsenen epitaxialen Schicht). Veranschaulichend werden Laser dieser Art aus der Gruppe III-V-Verbundhalbleiter hergestellt, zum Beispiel Gruppe III-V-Verbindungen auf In-Basis wie etwa GaInAs und AlInAs.
Eine nicht gezeigte Ansteuerschaltung ist an die Elektroden gekoppelt, um einen externen Spannungsbias zu liefern und dem Laser Pumpenergie mit ausreichender Größe zum Erzeugen von Licht zuzuführen. Unter dem Schwellwert arbeitet der Emitter als eine Quelle mit inkohärenter spontaner Emission, wohingegen er über dem Schwellwert als eine Quelle mit kohärenter stimulierter Emission arbeitet. Im letzteren Fall fungiert die Quelle als Laser, wenn sie mit einer optischen Rückkopplung ausgestattet ist. Eine geeignete optische Rückkopplung wird in der Regel durch einen optischen Hohlraumresonator bereitgestellt, der beispielsweise durch gespaltene Kristallfacetten, Gitter mit verteilter Rückkopplung (DFB) und verteilte Bragg-Reflektoren (DBRs) oder eine Kombination aus diesen gebildet wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie in 2 gezeigt, enthält das aktive Gebiet 14 eine Vielzahl von N Wiederholeinheiten, wobei jede Einheit ein "im voraus vorgespanntes" SL-RT-Gebiet 14.1 und I/R-Gebiet 14.2 umfaßt. Der Effekt des "im voraus Vorspannens" des internen Elektronenpotentials der SLs besteht darin, einen Flachbandzustand von oberen und unteren Minibändern trotz des Vorliegens des elektrischen Felds in den SLs zu erzeugen, die durch die angelegte Vorspannung erzeugt werden. Genauer gesagt ist das untere Miniband 14.3 eines RT-Gebiets 14.1 auf das obere Miniband 14.4 eines benachbarten RT-Gebiets 14.5 ausgerichtet, wobei die beiden ausgerichteten Minibänder an ein einzelnes Miniband 14.6 des dazwischenliegenden I/R-Gebiets 14.2 angepaßt sind und davon überbrückt werden. Bei dieser Art von Bauelement ist das Lasern ein Inter-Miniband-Prozeß, d.h., wie durch den gewellten Pfeil 15 gezeigt, findet stimulierte Emission bei einer Wellenlänge λ im RT-Gebiet 14.1 zwischen dem unteren Energieniveau 2 des oberen Minibands 14.7 und dem oberen Energieniveau 1 des unteren Minibands 14.3 statt. Ein ähnlicher Prozeß findet in den anderen RT-Gebieten statt. Beispielsweise findet das Lasern auch bei der gleichen Wellenlänge im RT-Gebiet 14.5 zwischen dem unteren Energieniveau 2 des oberen Minibands 14.4 und dem oberen Energieniveau 1 des unteren Minibands 14.8 statt. Die Wellenfunktionen (Moduli quadriert) der Niveaus 1 und 2 sind ebenfalls in 2 gezeigt. Man beachte, daß sich diese Wellenfunktionen innerhalb jedes RT über alle QWs dieses RTs erstrecken, was somit anzeigt, daß die QWs effektiv aneinander gekoppelt sind.
Das interne Elektronikpotential eines RT-Gebiets ist in dem Sinne im voraus vorgespannt, das ein tatsächliches Potential in das Bauelement eingebaut ist; d.h., die Energieniveaus mindestens einer ersten Teilmenge der QW-Schichten des RT-Gebiets sind von QW-Schicht zu QW-Schicht versetzt. Bei einer Ausführungsform wird das "im voraus Vorspannen" dadurch erreicht, daß die Dicken dieser QW-Schichten in einer quer zu den Schichten verlaufenden ersten Richtung erhöht werden; zum Beispiel in der Richtung des angelegten elektrischen Felds (durch die Vorspannung erzeugt). Bei einer bevorzugten Ausführungsform können auch die Dicken einer zweiten Teilmenge der Barrierenschichten von Barrierenschicht zu Barrierenschicht variiert werden.
Die Dicken dieser Barrierenschichten nehmen in der ersten Richtung vorzugsweise monoton ab oder zu. Der Ausdruck Teilmenge soll weniger als alle QW-(oder Barrieren-)Schichten im RT-Gebiet oder alle QW-(oder Barrieren-)Schichten im RT-Gebiet umfassen (d.h. den ganzen Satz). Außerdem brauchen die erste und zweite Teilmenge nicht die gleiche Gruppe von Schichten zu umfassen und brauchen nicht die gleiche Anzahl von Schichten zu enthalten.
Um besser zu verstehen, wie die "im voraus vorgespannten" SL-RT-Gebiete für den gewünschten Flachbandzustand der oberen und unteren Leitungsminibänder sorgen, wird auf die 3 und 4 verwiesen. Der gewünschte Flachbandzustand der Minibänder 30, 40 in einem SL in Gegenwart eines angelegten Felds E_A ist in 3 dargestellt. Hier ist der SL als eine typische feldkompensierte periodische Struktur nach dem Stand der Technik gezeigt, bei der jede QW-Schicht die gleiche Dicke t_w und jede Barrierenschicht die gleiche Dicke t_b aufweist. Ohne irgendwelche Form von kompensierendem Feld E_C jedoch würde sich jedes Miniband von 3 in separate Quantenzustände bei verschiedenen Energien in jedem Quantentopf aufteilen. Dieser Effekt wird ausgenutzt, indem in das SL Quantenzustände eingebaut werden, die bei Abwesenheit eines angelegten Felds derart versetzt sind, daß bei Vorliegen eines angelegten Felds die Zustände aufeinander ausgerichtet sind. Gemäß einer in 4 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein SL somit "im voraus vorgespannt", indem die Dicke t_w der QW-Schicht in Richtung des elektrischen Felds E_A vergrößert wird (in Umrissen gezeigt, da es nur während des Betriebs des Lasers angelegt würde). Somit gilt beispielsweise t_w4 < t_w3 < t_w2 < t_w1, was bedeutet, daß die Quantenzustände in den schmaleren QWs sich auf höheren Energien befinden als die entsprechenden Zustände in den breiteren QWs und daß die Energiedifferenz zwischen den oberen und unteren Niveaus in den schmaleren QWs größer ist als in den breiteren QWs. Durch Abstufen der Dicken der QWs waren wir somit in der Lage, die Quantenzustände von QW zu QW derart zu versetzen, daß der gewünschte Flachbandzustand der oberen und unteren Minibänder realisiert wird.
Es sei hier angemerkt, daß in relativ kurzen SLs ein gewünschter flacher Minibandzustand von oberen und unteren Minibändern dadurch erzielt werden kann, daß nur die QW-Dicken wie oben beschrieben variiert werden. Bei längeren SLs jedoch wird bevorzugt, sowohl die QW- als auch die Barrierenschichtdicken zu variieren; d.h., gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt auch die Barrierendicke in Richtung des angelegten Felds variiert (erhöht oder reduziert). Ob die Dicken einer bestimmten Teilmenge von Barrierenschichten erhöht oder reduziert wird, wird empirisch bestimmt (einschließlich der Verwendung von Computermodellierungsprogrammen). Zu den Aufgaben beim Variieren von t_b zählt, eine adäquate Kopplung der QWs sicherzustellen, den Elektronentransport zwischen den QWs zu erleichtern und eine relativ hohe Oszillatorstärke bereitzustellen (d.h. Dipolmatrixelement z₂₁). In jedem Fall sollte die durch (t_w + t_b) definierte Periode nicht so stark variieren, daß die SL-Charakteristiken der RT-Gebiete signifikant beeinträchtigt werden.
Unsere besten Ausgangsleistungsergebnisse wurden bisher bei einem QC-SL erzielt, bei dem die Dicken einer Teilmenge der Barrierenschichten in Richtung des angelegten Felds abnahmen. Die besten Schwellwertstromdichteergebnisse wurden jedoch in einem QC-SL-Laser erhalten, bei dem Dicken einer Teilmenge der Barrierenschichten in Richtung des angelegten Felds zunahmen. Beispiele für beide dieser Laser sind unten erörtert.
Beispiele
Dieses Beispiel beschreibt einen Gruppe-III-V-Verbundhalbleiter-QC-"im voraus vorgespannten"-SL-Laser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Verschiedene Materialien, Abmessungen und Arbeitsbedingungen sind lediglich als Veranschaulichung angegeben und sollen, soweit nicht ausdrücklich anders angegeben, den Schutzbereich der Erfindung nicht beschränken. Der Ausdruck undotiert, wie er hier verwendet wird, bedeutet, daß eine bestimmte Halbleiterschicht oder ein bestimmtes Halbleitergebiet nicht absichtlich dotiert ist; d.h., eine etwaige Dotierung eines derartigen Gebiets oder einer derartigen Schicht ist relativ schwach und ergibt sich in der Regel aus einer Rest- oder Hintergrunddotierung in der zum Auswachsen der Schichten des Bauelements verwendeten Kammer.
Das Schemadiagramm des Leitungsbands der Laser ist in 2 gezeigt. Zwei wohldefinierte Minibänder 14.3 und 14.4 wurden in den benachbarten "im voraus vorgespannten" SL-RT-Gebieten 14.1 bzw. 14.5 erhalten, auf ein einzelnes I/R-Miniband 14.6 angepaßt, das sie zusammen über die kaskadierenden Stufen miteinander überbrückt. Die bei den Laserübergängen beteiligten Zustände bei einer Mittenwellenlänge von etwa 7,2 μm zwischen den oberen und unteren Minibändern in jedem RT-Gebiet wurden gleichförmig über mindestens sechs Perioden jedes SL delokalisiert, was ein großes Dipolmatrixelement z₂₁ = 2,7 nm sicherstellte. Ihre Lebensdauer durch die Emission optischer Phononen wurde als τ₂ ~1 ps und τ₁ ~0,1 ps bei einer streuenden Zeit τ₂₁ = 5,3 ps berechnet.
Durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) wurden zwei identische GaInAs/AlInAs-Proben mit jeweils N = 28 Wiederholeinheiten (RT-plus I/R-Gebiete) gitterangepaßt an ein schwachdotiertes InP-Substrat aufgewachsen. Die in Tabelle I gezeigte vollständige Struktur enthielt einen Kern, der zwischen das Substrat und ein oberes Mantelgebiet geschichtet war, aber davon durch wohlbekannte, digital abgestufte GaInAs/AlInAs-Übergangsschichten getrennt war. Der Kern enthielt die 28 Wiederholeinheiten, die von relativ dicken, schwachdotierten GaInAs-Schichten begrenzt waren. Eine dünne starkdotierte GaInAs-Kontakterleichterungsschicht war auf dem oberen Mantelgebiet ausgebildet. Das Substrat selbst diente als ein unteres Mantelgebiet.
Die Wafer wurden zu Mesa-geätzten Stegwellenleiterlasern mit mehreren Breiten verarbeitet und in in der Regel 2–3 mm lange Stäbe gespalten, wobei die Laserausgabefacetten unbeschichtet blieben. Bei einigen Anwendungen kann es jedoch möglicherweise wünschenswert sein, die Facetten zu beschichten, wie in der Technik wohlbekannt ist.
Tabelle I
Die Einzelheiten jeder der herkömmlichen GaInAs/AlInAs-I/R-Gebiete sind in Tabelle II gezeigt.
Tabelle II
Tabelle III zeigt die variierenden Schichtdicken der "im voraus vorgespannten" RT-Gebiete für beiden Proben D2369 und D2404 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das nicht gezeigte angelegte elektrische Feld würde in der Aufwärtsrichtung orientiert sein, d.h. in der Tabelle von unten nach oben. Entsprechend der vorausgegangenen Erörterung nahmen die Dicken der sechs GaInAs-QW-Schichten in Richtung des Felds monoton von 3,5 auf 5,1 nm (35 Å auf 51 Å) zu. Bei diesem Beispiel ist die Teilmenge der abgestuften QW-Schichten deshalb die vollständige Menge, doch könnte, wie oben angemerkt, die Teilmenge weniger als alle QW-Schichten in jedem RT-Gebiet enthalten. Im Gegensatz dazu ist die Dicke nur der untersten Teilmenge aus vier AlInAs-Barrierenschichten unterschiedlich und nimmt in diesem Fall wie folgt in Richtung des Felds monoton ab: 2,5 nm (25 Å), 1,3 nm (13 Å), 1,2 nm (12 Å), 1,1 nm (11 Å). Die unterste 2,5 nm-Barriere könnte dünner sein (z.B. 1,4 nm (14 Å)), war aber fakultativ dicker ausgelegt, um einen Grad der Entkopplung des RT-Gebiets von dem benachbarten I/R-Gebiet zu erhalten. Andererseits wiesen die obersten Teilmengen aus vier Barrierenschichten alle eine Dicke von 1,1 nm (11 Å) auf.
Tabelle III
Die emittierte Spitzenleistung beim gepulsten Betrieb eines Lasers aus der Probe D2369 ist in 5 als Funktion des Ansteuerstroms gezeigt. Der Stegwellenleiter wurde durch die 28 Stufen tief geätzt, um ein wohldefiniertes Maß der Größe des aktiven Bauelements und der Stromdichte zu haben. Spitzenleistungen von fast 900 MW bei 5 K und fast 300 MW bei Raumtemperatur wurden erhalten. Wie man der I-V-Charakteristik entnehmen kann, die ebenfalls in 5 aufgetragen ist, entspricht die Spannung beim Schwellwert (~8,5 v) durchaus dem elektrischen Feld, für das die Struktur ausgelegt war. Die Schwellwertstromdichte bei 5 K, J_th = 1,5 kA/cm, war um einen Faktor von fast 3 besser als die jedes zuvor veröffentlichten Inter-Miniband-SL-Lasers (siehe Tredicucci et al., Supra.) und ist der von konventionellen Inter-Subband-QC-Lasern mit ähnlicher Arbeitswellenlänge vergleichbar (siehe C. Gmachl et al., Appl. Phys. Lett., Band 72, Nr. 24, S. 3130–3132 (Juni 1998)). Der Wert bei Raumtemperatur betrug J_th = 5,2 kA/cm. Es wurden jedoch noch niedrigere Raumtemperatur-Schwellwertstromdichten in einem QC-SL-Laser aus der Probe D2394 erhalten, bei dem die Dicken einer ersten Teilmenge der QW-Schichten wie zuvor in Richtung des angelegten Felds zunahmen, doch nahmen auch die Dicken einer zweiten Teilmenge der Barrierenschichten in der gleichen Richtung zu. Bei Probe D2394 nahmen die Dicken von sechs Barrierenschichten in Inkrementen von 0,1 nm (1 Å) von 0,7 nm (7 Å) auf 1,2 nm (12 Å) zu, doch war die unterste Barrierenschicht (der 0,7 nm – Barrierenschicht am nächsten gelegen) 25 11 dick, um wie oben beschrieben eine Entkopplung der RT- und I/R-Gebiete zu erhalten.
Die gemessene Abhängigkeit der Schwellwertstromdichte von der Temperatur ist in dem Einsatz von 6 für die Probe D2369 aufgetragen. Das finite Temperaturverhalten wurde geschätzt, indem zu der wohlbekannten Formel für J_th von QC-Lasern ein Term hinzugefügt wurde, der die thermisch aktivierte Population des unteren Laserniveaus (Zustand 1) berücksichtigt. Die so berechneten Schwellwertstromdichten sind ebenfalls in dem Einsatz von 6 aufgetragen. Die Übereinstimmung mit unseren Versuchsergebnissen ist angesichts der Ungewißheiten des Modells gut. Die niedrigen Schwellwertströme der vorliegenden Laser sind insbesondere wünschenswert für Raumtemperaturbetrieb bei hohen Wiederholfrequenzen, wo die Wärmeableitung ein Problem wird. Wie man aus 6 sehen kann, führt diese Eigenschaft zusammen mit der Spitzenleistung zu einer mittleren Leistung von 14 MW, die bei 295 K von einem aus Probe D2404 erhaltenen Laser erhalten wird. Diese Leistung wurde mit einer Sammelwirksamkeit von fast Eins unter Verwendung eines parabolischen Kegels und eines herkömmlichen Thermosäulen-Leistungsmeßgeräts gemessen.
Bauelemente aus der Probe D2404 wurden ebenfalls, wie in 1 gezeigt, in einer großflächigen Konfiguration (anstatt als tiefgeätzte Stegwellenleiter mit schmalerer Mesa) verarbeitet, indem der Ätzvorgang auf die Mantelschichten beschränkt wurde. Die Leistung dieser Laser übertraf die standardmäßigen tiefgeätzten Laser hinsichtlich Spitzenleistung, wie in 7 gezeigt, wo die L-I-Charakteristiken bei verschiedenen Temperaturen von zwei solchen Bauelementen gezeigt sind. Der Wert von 0,5 W wurde bei Raumtemperatur erhalten. Das Raumtemperatur-Mehrmodenspektrum der Emission der vorliegenden großflächigen Laser unmittelbar über dem Schwellwert ist in dem Einsatz von 7 gezeigt.
Der beschränkende Faktor bei dem Dauer-Betrieb (CW) von Inter-Subband- und Inter-Miniband-Lasern rührt von der großen Verlustleistung der Bauelemente her. Aufgrund des endlichen thermischen Widerstands der Laser ist die Temperatur des aktiven Gebiets viel höher als die des Kühlkörpers. Die Substrattemperatur T_sub ist eine gute Annäherung an letztere, und ein typischer T_sub-Höchstwert für den CW-Betrieb (T_sub,max) ist etwa 145 K. Eine Reduzierung bei der an das aktive Gebiet angelegten Spannung, die durch Verringerung der Anzahl der Wiederholeinheiten (Stufen) erzielt werden kann, würde zu einem höheren T_sub,max-Wert führen, vorausgesetzt die Zunahme beim Stromschwellwert ist nicht zu groß. Es hat sich herausgestellt, daß ein "im voraus vorgespannter" QC-SL-Laser mit nur 19 Stufen (in einem Design, das zu der Probe D2369 identisch ist) in dieser Hinsicht wirksam ist. 19 Stufen sind jedoch nur eine Veranschaulichung; je nach der beabsichtigten Anwendung könnten mehr oder weniger Stufen verwendet werden.
Die optische CW-Leistung als Funktion des Ansteuerstroms eines Bauelements von Wafer D2433 ist in 8 für verschiedene Temperaturen gezeigt. Bei 25 K wurden mehr als 300 MW an optischer Leistung erhalten, wobei bei 150 K 20 MW erreicht wurden. Bei einer hohen Temperatur von 160 K hörte der Laser auf, in einem CW-Modus zu arbeiten. Wie in dem Einsatz von 8 gezeigt, war das CW-Spektrum bei einer kryogenen Temperatur unmittelbar über dem Schwellwert einmodig bei einer Mittenwellenlänge von etwa 7,22 μm, was mit der berechneten Energiedifferenz zwischen den oberen und unteren Inter-Minibändern ausgezeichnet übereinstimmte. Die höheren Werte der Steigungseffizienz wurden für die Proben mit mehr als 19 Stufen gemäß den wohlbekannten Kaskadierungsverfahren erhalten, bei dem jedes über dem Schwellwert indizierte Elektron pro Stufe ein Photon emittiert. Eine Steigungseffizienz von 478 MW/A wurde für einen 28-stufigen Laser (aus Wafer D2404) aufgezeichnet, der 3 mm lang und 16,7 μm breit war. Diese gemessene Effizienz entsprach gut einem berechneten Wert von 472 MW/A. Die resultierende externe differentielle Quanteneffizienz von 5,6 war größer als Eins, was nur in einem Laser mit kaskadierten aktiven Gebieten möglich ist.
Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Anordnungen für die vielen möglichen spezifischen Ausführungsformen, die ausgedacht werden können, um die Anwendung der Prinzipien der Erfindung darzustellen, lediglich veranschaulichend sind. Zahlreiche und unterschiedliche andere Anordnungen können gemäß diesen Prinzipien von dem Fachmann erdacht werden, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Insbesondere wird in dem obigen Text von zwei Voraussetzungen ausgegangen: erstens, daß die Wiederholeinheiten alle zueinander identisch sind, und zweitens, daß das externe angelegte Feld in jeder Wiederholung das gleiche ist. Falls letzteres nicht der Fall ist, kann es wünschenswert sein, daß die Wiederholeinheiten geringfügig unterschiedliche Dickenschwankungen entweder in den QW- oder Barrierenschichten oder beiden aufweisen. Beispielsweise brauchen die in das SL eingebauten Schwankungen (z.B. von QW- oder Barrierenschichtdicken) keine linearen Änderungen in einem Bauelementparameter zu sein, und sie brauchen auch keine monotonen Änderungen zu sein. Schließlich wird angemerkt, daß, obwohl der Einsatz von Dotierverfahren zum Abschirmen des angelegten Felds Nachteile aufweist, es möglich ist, daß solche Verfahren in Kombination mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.

Claims

Quantenkaskaden-(QC)-Supergitter-(SL)-Lichtemitter (10), der folgendes umfaßt: ein Kerngebiet, das ein aktives QC-Gebiet (14) enthält, das eine Vielzahl von Wiederholeinheiten umfaßt, wobei jede Wiederholeinheit ein SL-Gebiet mit unipolarem Strahlungsübergang (RT) (14.1) und ein Injektions-/Relaxations-(I/R)-Gebiet (14.2) enthält, wobei jedes der RT-SL-Gebiete mehrere Quantentopf-(QW)-Schichten umfaßt, die mit mehreren Barrierenschichten verschachtelt sind, wobei die QW-Schichten Energiezustände aufweisen, die durch obere (14.4, 14.7) und untere Minibänder (14.3, 14.8) gekennzeichnet sind, und Elektroden (20, 22) zum Anlegen eines elektrischen Felds an den Emitter, um effektiv zu bewirken, daß die RT-Gebiete Licht mit einer Energie erzeugen, die durch obere und untere Energieniveaus in den Minibändern bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer ersten Teilmenge der QW-Schichten das interne Elektronenpotential durch Variieren der SL-Periode im voraus vorgespannt wird, so daß trotz des Vorliegens des angelegten Felds in den SLs ein im wesentlichen flachbandiger Zustand sowohl der oberen als auch unteren Minibänder existiert.
Emitter nach Anspruch 1, wobei die oberen und unteren Energieniveaus bei Fehlen des angelegten Felds jeweils bei verschiedenen Energien von QW-Schicht zu QW-Schicht innerhalb der ersten Teilmenge liegen und die Energiedifferenz zwischen oberen und unteren Energieniveaus in den QW-Schichten in Richtung des angelegten Felds abnimmt.
Emitter nach Anspruch 1, wobei die Dicken (t_w1, t_w2, t_w3, t_w4) der QW-Schichten in der ersten Teilmenge von QW-Schicht zu QW-Schicht variiert sind.
Emitter nach Anspruch 3, wobei die Dicken der QW-Schichten in Richtung des angelegten Felds zunehmen.
Emitter nach Anspruch 3, wobei die Dicken (t_b1, t_b2, t_b3, t_b4) einer zweiten Teilmenge der Barrierenschichten von Barrierenschicht zu Barrierenschicht variiert sind.
Emitter nach Anspruch 5, wobei die Dicken der Barrierenschichten in der zweiten Teilmenge in Richtung des angelegten Felds abnehmen.
Emitter nach Anspruch 5, wobei die Dicken der Barrierenschichten in der zweiten Teilmenge in Richtung des angelegten Felds zunehmen.
Emitter nach Anspruch 1, wobei das Kerngebiet Schichten von In-basierten Verbundhalbleiterschichten der Gruppe III-V umfaßt.
Emitter nach Anspruch 8, wobei das Kerngebiet Schichten aus GaInAs und Schichten aus AlInAs umfaßt.
Emitter nach Anspruch 1, der weiterhin folgendes umfaßt: ein Paar das Kerngebiet begrenzende Mantelgebiete und wobei die Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Felds an den Laser effektiv bewirken, daß die RT-Gebiete Laserwirkung mit einer Energie erzeugen, die durch die oberen und unteren Energieniveaus der QW-Schichten bestimmt wird, wobei die oberen und unteren Niveaus jeweils in den oberen und unteren Minibändern liegen und bei Vorliegen des Felds das obere Miniband eines RT-Gebiets auf das untere Miniband eines benachbarten RT-Gebiets ausgerichtet wird und das Miniband des I/R-Gebiets dazwischen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer ersten Teilmenge der QW-Schichten in jedem RT-Gebiet die Dicken der QW-Schichten in der Richtung des angelegten Felds von QW-Schicht zu QW-Schicht zunehmen und in mindestens einer zweiten Teilmenge der Barrierenschichten in jedem der RT-Gebiete die Dicken der Barrierenschichten von Barrierenschicht zu Barrierenschicht in Richtung des angelegten Felds variieren, so daß bei Abwesenheit des angelegten Felds die oberen und unteren Energieniveaus von Schicht zu Schicht innerhalb der ersten Teilmenge jeweils bei verschiedenen Energien liegen und so, daß bei Vorliegen des angelegten Felds ein im wesentlichen flachbandiger Zustand sowohl der oberen als auch unteren Minibänder über benachbarte RT-Gebiete existiert.