DE69933396T2

DE69933396T2 - Optische halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE69933396T2
Application number: DE69933396T
Authority: DE
Inventors: Peter Stephen NAJDA
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1998-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2019-12-16
Also published as: GB2344932A; TW461164B; EP1147584A1; EP1147584B1; GB9827492D0; JP2002532908A; DE69933396D1; KR100463972B1; KR20010082349A; WO2000036719A1; US6785311B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine optische Halbleitervorrichtung und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eine Halbleiterlaservorrichtung, die sichtbare Strahlung im Wellenlängenbereich von 630nm bis 680nm emittiert. Die Laservorrichtung kann vom Typ Kantenemitter oder vom Typ Oberflächenemitter sein.
STAND DER TECHNIK
Laservorrichtungen oder Laserdioden (LDs), die im (Al,Ga,In)P Materialsystem mit einer Lichtemission im Wellenlängenbereich von 630nm-680nm hergestellt werden, gewinnen als Komponenten von Handelsprodukten und Verbraucherprodukten zunehmend an Bedeutung. Beispielsweise ist vorgesehen, dass das digitale Videoplatten (DVD, digital video disc)-System eine LD mit einer Wellenlänge von 635nm-650nm einsetzt, die es ermöglicht, bis zu 30mW Ausgangsleistung bis zu einer Temperatur von 60°C bereitzustellen. Die nächste Generation von Halbleiterlasern wird eine größere maximale Leistungsausgabe bei höheren Betriebstemperaturen (z.B. 70°C) erfordern.
Mit dem (Al,Ga,In)P System ist die Familie von Verbindungen der allgemeinen Formel (Al_xGa_1-x)_1-yIn_yP bezeichnet, wobei sowohl x als auch y zwischen 0 und 1 liegen. Ein besonderer Vorteil dieses Halbleitersystems liegt darin, dass dieses vom Gitter her an ein GaAs Substrat angepasst ist, falls der Aluminiumanteil y = 0.48 ist.
Eine generelle Begrenzung von gegenwärtigen (Al,Ga,In)P Laserdioden ist dadurch gegeben, dass diese keinen Betrieb langer Dauer (oder mit einem ausreichend geringen Schwellstrom) bei den höchsten spezifizierten Betriebstemperaturen ermöglichen. Es wird allgemein angenommen, dass dies durch Elektronenleckströme aus dem aktiven Gebiet der Vorrichtung in das umgebende optische Führungsgebiet und damit in das p-Typ Cladding-Gebiet verursacht wird.
Ein Typ von Laservorrichtung ist der Separate-Confinement-Heterostrukturlaser. Der allgemeine Aufbau einer Separate-Confinement-Laserstruktur, die Licht im Bereich von 630-680nm erzeugen soll, wird nun mit Bezug zu 1 und 2 beschrieben.
Kurve (a) in 1 zeigt den Unterschied zwischen der Γ-Leitungsbandenergie von (Al_xGa_1-x)_0.52In_0,48P und Ga_0.52In_0.48P als Funktion des Aluminiumanteils der quaternären Verbindung. Die Kurven (b) und (c) in 1 zeigen jeweils den Unterschied zwischen der X-Leitungsbandenergie und der T-Valenzbandenergie. 1 nimmt an, dass der Energielückenunterschied zwischen (Al,Ga)InP und GalnP in einem Verhältnis von 70:30 zwischen dem Leitungsbandoffset und dem Valenzbandoffset aufgeteilt wird.
Es wird sich zeigen, dass die minimale Energie im Leitungsband von (Al,Ga,In)P eine Funktion des Aluminiumanteils ist. Es liegt ein Übergang von einem T-Band-Minimum zu einem X-Band-Minimum bei einer Aluminiumkonzentration von ungefähr 0.55 vor.
Die Ausdrücke T-Band und X-Band werden hierin mit Bezug zu symmetrischen Punkten in der Brillouinzone verwendet und sind übliche Ausdrücke in der Festkörperphysik, siehe z.B. R.A. Smith „Semiconductors", (Cambridge University Press, 1978). Die Ausdrücke T-Minimum und X-Minimum beziehen sich jeweils auf die minimalen Energieniveaus des Γ-Bandes und des X-Bandes.
2 zeigt eine schematische Bandstruktur einer im (Al,Ga,In)P System gefertigten Separate-Confinement-Laserstruktur. Diese besteht aus einem n-dotierten (Al_0.7Ga_0.3)_0.52In_0.48P Cladding-Gebiet 1, einem optischen Führungsgebiet 2, 4 aus (Al_0.5Ga_0.5)_0.52In_0.48P, einem aktiven Gebiet 3 aus einem GaInP Quantentopf, der innerhalb des optischen Führungsgebiets (Al_0.5Ga_0.5)_0.52In_0.48P angeordnet ist und einem p-dotierten (Al_0.7Ga_0.3)_0.52In_0.48P Cladding-Gebiet. Optische Übergänge, die einen Laserbetrieb in dem aktiven Gebiet 3 des Quantentopfes der Laserdiode verursachen, rühren von Γ-Elektronen in dem aktiven Gebiet des GaInP Quantentopfes her.
Der Elektronenleckstrom besteht aus dem Anteil der Elektronen, die ausreichend thermische Energie zum Überwinden der auf der rechten Seite in 2 gezeigten Potentialbarriere aufweisen und in das p-dotierte Clad ding-Gebiet 5 gelangen. Es wird sich zeigen, dass Γ-Elektronen in dem optischen Führungsgebiet (Wellenleitergebiet) durch eine Potentialbarriere von lediglich ungefähr 90meV an der Grenzfläche zu dem p-dotierten Cladding-Gebiet 5 eingeschlossen sind. Diese verhältnismäßig geringe Barrierenhöhe ermöglicht es einem erheblichen Anteil von Elektronen zu entkommen. Darüber hinaus werden Löcher im Valenzband lediglich durch eine Potentialbarriere von ungefähr 50meV eingeschlossen und diese geringe Barrierenhöhe ermöglicht ebenso ein erhebliches Ladungsträgerentweichen. Darüber hinaus liegt das X-Leitungsband in dem p-Cladding-Gebiet 5 einige 50meV unterhalb des Γ-Leitungsbandes in dem Wellenleitergebiet 2, 4 und dies ermöglicht es Elektronen aus dem Wellenleitergebiet 2, 4 durch die X-Zustände in die p-dotierten Cladding-Gebiete zu entweichen. Deshalb weist der in 2 dargestellte Laser einen hohen Leckstrom auf und zeigt somit bei hohen Temperaturen ein schlechtes Leistungsverhalten.
P.M. Smowton et al. zeigen in „Applied Physics Letters", Vol. 67, Seiten 1265-1267 (1995), dass ein wichtiger Leckstrommechanismus für Elektronen über das indirekte X-Tal der Leitungsbänder auf der p-Seite der Führungs- und Cladding-Gebiete eines Separate-Confinement-Heterostrukturlasers mit zwei durch eine Barriere getrennten Ga_0.41In_0.59P Quantentöpfen erfolgen kann oder in einem optischen Führungsgebiet aus (AlyGa_1-y)_0.51In_0.49P (wobei y zwischen 0.3, 0.4 und 0.5 variiert), das mit (Al_0.7Ga_0.3)_0.51In_0.49P Cladding-Gebieten gekleidet ist, bestimmt ist, wobei die Cladding-Gebiete mit Zn auf der p-Seite und Si auf der n-Seite dotiert sind. Jedoch werden keinerlei Vorschläge zum Entschärfen der durch den Verlust der Elektronen über diesen Mechanismus verursachten Probleme gemacht.
Es gibt eine Anzahl von Vorschlägen zur Verbesserung des Temperatur-Leistungsverhaltens von Laservorrichtungen im (Al,Ga,In)P System.
T. Takagi et al, „IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. 27, Nr. 6, 1511 (1991) haben vorgeschlagen, eine Mehrfach-Quantentopf-Barriere in das Cladding-Gebiet einzubringen.
In UK 9526631.8 wird vorgeschlagen, dass das Einfügen einer δ-dotierten p-Typ Schicht in das p-dotierte Cladding-Gebiet einer SCH Laserdiode den Effekt einer vergrößerten Bandkrümmung auf der p-Seite des Heteroübergangs mit sich bringt und dadurch die Potentialbarriere, die sich dem thermischen Leckstrom der Elektronen stellt, vergrößert wird.
G. Hatakoshi et al., „IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. 27, Seite 1476 (1991) haben vorgeschlagen, das Dotierniveau des p-dotierten Cladding-Gebiets zu erhöhen um die Potenialbarriere zwischen dem Wellenleitergebiet und dem p-dotierten Gladding-Gebiet anzuheben. UK 9626644.0 beschreibt einen Halbleiterlaser, der eine Elektronen-reflektierende Schicht beinhaltet um X-Elektronen daran zu hindern, in das p-dotierte Cladding-Gebiet zu entfliehen. UK 9626657.2 beschreibt die Verwendung von Elektroneneinfangschichten zum Einfangen von X-Elektronen sowie deren Transfer zu einem eingeschlossenen Γ-Energieniveau im aktiven Gebiet. Jedoch ist die Wirksamkeit dieser Maßnahmen zum Verbessern des Temperaturverhaltens einer (Al,Ga,In)P Laservorrichtung derzeit unklar.
Das Funktionsprinzip einer Mehrfach-Quantentopfbarriere (MQB, multiple quantum well barrier) betrifft den Einschluss einer MQB in das p-Typ Cladding-Gebiet einer SCH Laservorrichtung. Die MQB besteht aus sehr dünnen alternierenden Schichten aus z.B. (In,Ga)P und (Al,Ga,In)P (für einen (Al,Ga,In)P Laser). Ein Elektron mit ausreichender thermischer Energie zum Entweichen aus der SCH Struktur wird quantenmechanisch an jeder der Grenzflächen der MQB reflektiert. Falls die Schichtdicken als λ/4 gewählt sind, wobei λ die Elektronenwellenlänge darstellt, lässt sich ein Band von Energien erzeugen, an dem Elektronen mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 reflektiert werden. Es lässt sich nahezu ein Reflektionsgrad der Elektronen von eins erzeugen, was deutlich oberhalb der klassischen Barrierenhöhe liegt. Theoretisch kann eine MQB die effektive Barrierenhöhe um einen Faktor von 2 verglichen mit der klassischen Barrierenhöhe erhöhen. Ein Beispiel einer derartigen MQB ist in US-A-5 425 041 beschrieben.
K. Kishino et al. „Applied Physics Letters", Vol. 58, Seiten 1822-1824 (1991) und H. Hamada et al. „Electronics Letters", Vol. 28, Seiten 1834-1836 (1992) erbringen den Beweis, dass die Temperaturabhängigkeit des Schwellstroms von Lasern mit kurzer Wellenlänge durch die Verwendung derartiger Reflektoren verbessert werden kann. Jedoch leitet sich die Effektivität dieser Reflektoren gewöhnlich von LD Betriebseigenschaften her anstatt von einer direkten Messung der Verbesserung der Barrierenhöhe. Es ist deshalb schwierig zu quantifizieren welcher Vorteil aus der Verwendung einer MQB im Vergleich zu beliebigen möglichen Vorteilen durch eine bessere Prozessierung oder durch eine bessere Materialqualität herrührt. Darüber hinaus gilt zu bedenken, dass die Effektivität der MQB lediglich bei großer Ko härenzlänge der Elektronen realisiert wird. Beliebige Einflüsse, die diese Kohärenz zerstören wie z.B. Grenzflächenstreuung verschlechtern die Reflektivitätseigenschaften erheblich.
Eine Erhöhung des Dotierniveaus der p-dotierten Cladding-Schicht führt zu einer Vergrößerung der Potentialbarriere zwischen dem Wellenleitergebiet 4 und dem p-dotierten Cladding-Gebiet 5. Jedoch bestehen prinzipielle Begrenzungen hinsichtlich der p-Dotierung, die in (Al,Ga,In)P oder (Al,In)P Cladding-Gebiete eingebaut werden kann. Dies trifft insbesondere für MOCVD gewachsene Materialien zu, bei denen eine maximale Dotierstoffkonzentration von ungefähr 2 × 10¹⁸cm^–3 bei Verwendung von Zn oder Mg erzielt werden kann. Ein Beispiel hierfür ist in D.P. Bour et al. in „IEEE Journal of Quantum Electronics", Vol. 30, Seiten 593-606 (1994) gegeben. Jedoch führt jede weitere Erhöhung der Dotierstoffkonzentration bei Verwendung dieses Verfahrens dazu, dass die Dotierstoffe in das aktive Gebiet der Vorrichtung diffundieren und dadurch dessen Leistungsfähigkeit verschlechtern.
Es ist möglich, den Aluminiumgehalt der Cladding-Schicht zu erhöhten um die Potentialbarriere zwischen dem Wellenleitergebiet 4 und dem p-dotierten Cladding-Gebiet 5 zu vergrößern und damit den Einschluss von Γ-Elektronen und Valenzbandlöchern zu erhöhen. Dieser Ansatz ist in 3 dargestellt. Hierbei ist eine SCH Laserstruktur gezeigt, die ähnlich zu der in 2 gezeigten Struktur ist, bei der jedoch die Cladding-Gebiete 1, 5 aus AlInP gebildet sind. Die Potentialbarriere zwischen dem optischen Führungsgebiet 4 und dem p-dotierten Cladding-Gebiet 5 beträgt nun 250meV und die Potentialbarriere, die die Valenzbandlöcher einschließt, ist nunmehr 100meV groß. Somit weist die in 3 gezeigte Laserstruktur einen verbesserten Ladungsträgereinschluss verglichen mit der in 2 gezeigten Struktur auf.
Eine Erhöhung des Aluminiumgehalts der Cladding-Schichten 1, 5 führt jedoch nicht zu einem Verhindern der Ladungsträgerentweichung über die X-Bandzustände In das p-dotierte Cladding-Gebiet 5.
Ein erster Aspekt der Erfindung gibt eine optische Halbleitervorrichtung an mit: einem aktiven Gebiet und einem p-dotierten Cladding-Gebiet, das auf einer Seite des aktiven Gebiets angeordnet ist, wobei eine Elektronenreflektierende Barriere auf der p-Seite des aktiven Gebiets zum Reflek tieren von sowohl Γ-Elektronen als auch X-Elektronen vorgesehen ist, wobei die Elektronen-reflektierende Barriere für die Γ-Elektronen eine größere Potentialbarriere als für die X-Elektronen bereitstellt und wobei die Elektronenreflektierende Barriere eine erste Elektronen-reflektierende Schicht zum Reflektieren von Γ-Elektronen und eine zweite Elektronen-reflektierende Schicht zum Reflektieren von X-Elektronen aufweist.
S.J. Chang et al., "IEEE Photonics Technology Letters ", Vol. 10, No. 5, Seite 651 (1998) beschreibt eine (Al,Ga,In)P Laserdiode mit einer Emissionswellenlänge von 642nm. Die Laserdiode ist mit einer dreifachen tensilverspannten Barrieren-Cladding-Schicht zum Bereitstellen einer Barriere für Γ-Elektronen versehen. Eine verbesserte Temperaturabhängigkeit wird beobachtet. Jedoch stellen die tensilen Reflektionsschichten keine Barriere für X-Elektronen dar. Andererseits führen diese zu Quantentöpfen zum Einfangen von X-Elektronen. Somit tritt bei dieser Struktur weiterhin ein wesentlicher Ladungsträgerverlust über die X-Bandzustände in das p-dotierte Cladding-Gebiet auf.
US 5,509,024 beschreibt eine Laserdiode mit einer Tunnelbarrierenschicht. Eine AlAs Barrierenschicht ist zwischen das optische Führungsgebiet und die p-dotierte Cladding-Schicht eingefügt, um als Barriere für Γ-Elektronen zu wirken.
US 5,509,024 behandelt nicht das Problem von Ladungsträgerverlust über die X-Zustände in das p-dotierte Cladding-Gebiet. Das Patent schlägt vor, die AlAs Barrierenschicht zwischen einem optischen Führungsgebiet aus (Al_0.5Ga_0.5)_0.52In_0.48P und einem (Al_0.7Ga_0.3)_0.52In_0.48P Cladding-Gebiet anzuordnen. Zum Zeitpunkt des Patents waren weder die Bandoffsets noch der direkte-indirekte Γ-X Energielückenübergang im (Al,Ga,In)P System zuverlässig bekannt. Im Lichte neuerer experimenteller Erkenntnisse bezüglich des direkt-indirekten Γ-X Energielückenübergangs wird ersichtlich, dass die in US 5,509,024 vorgeschlagene Struktur einen 0.32eV Quantentopf zum Einfangen von X-Elektronen darstellt. Während das in dem Patent vorgeschlagene Modell eine Potentialbarriere von ungefähr 0.58eV für Γ-Elektronen einführt, behandelt dieses jedoch nicht das Problem von Ladungsträgerverlust über die X-Zustände in das p-dotierte Cladding-Gebiet. Tatsächlich verschärft der 0.32eV Quantentopf für X-Elektronen dieses Problem.
Im Gegensatz zum obigen Stand der Technik gibt die Erfindung eine Barriere an, die einen Leckstrom von sowohl Γ-Elektronen als auch X-Elektronen verhindert. Das Problem des Ladungsträgerverlustes über die X-Zustände in das p-dotierte Cladding-Gebiet wird verhindert oder wenigstens erheblich reduziert, zumal die Elektronen-reflektierende Barriere X-Elektronen als auch Γ-Elektronen reflektiert.
Obwohl US 5 509 024 das Problem zum Ladungsträgerentweichen über das X-Band nicht behandelt, können Unterbereiche der darin beschriebenen Bereiche von Zusammensetzungen der Verbindungsschichtungen zu Vorrichtungen führen, die eine Elektronen-reflektierende an der p-Seite des aktiven Gebiets zum Reflektieren von Γ-Elektronen aufweisen, wobei die Elektronen-reflektierende Barriere eine höhere Potentialbarriere für Γ-Elektronen bereitstellt als das p-dotierte Cladding-Gebiet. Unterbereiche der Bereiche von Zusammensetzungen können ebenso zu Vorrichtungen führen, bei denen das Γ-Leitungsband des optischen Führungsgebiets mit dem X-Leitungsband der Elektronen-reflektierenden Barriere entartet ist.
Wenigstens eine der Elektronen-reflektierenden Schichten kann eine verspannte Schicht sein. In einigen Fällen weist eine verspannte Halbleiterschicht eine verbotene Energielücke auf, die größer als die verbotene Energielücke des Volumen-Halbleitermaterials ist und Verwenden einer derart verspannten Schicht als Elektronen-reflektierende Schicht wird die Potentialbarriere für Elektronen- und Löcherleckströme erhöhen.
Eine der Elektronen-reflektierenden Schichten kann in einem Zustand kompressiver Verspannung und die andere der Elektronen-reflektierenden Schichten kann in einem Zustand tensiler Verspannung sein. Die beiden Elektronen-reflektierenden Schichten bilden demnach eine Verspannungskompensierte Barriere aus. Es wurde berichtet, dass eine Verspannungskompensierte Barriere dicker als die Summe der kritischen Dicken der einzelnen Schichten ohne Einbau von Defekten in die Schichten gemacht werden kann. Dies bedeutet, dass eine Verspannungs-kompensierte Elektronenreflektierende Barriere ohne Einbau von Defekten dicker gemacht werden kann und eine dickere Barriere reflektiert mehr Elektronen zurück in das aktive Gebiet, wodurch der Einschluss von Elektronen verbessert wird.
Die Vorrichtung kann eine Lichtemissionsdiode sein oder diese kann eine Laservorrichtung sein. Die Laservorrichtung kann eine Separate- Confinement-Heterostruktur-Laservorrichtung mit einem optischen Führungsgebiet sein, wobei das aktive Gebiet innerhalb des optischen Führungsgebiets angeordnet ist. Die Schicht zum Reflektieren von Γ-Elektronen kann zwischen dem optischen Führungsgebiet und der Schicht zum Reflektieren von X-Elektronen angeordnet sein. Das Γ-Leitungsband des optischen Führungsgebiets kann im Wesentlichen mit dem X-Leitungsband der Schicht zum Reflektieren der Γ-Elektronen entartet sein. Dies stellt sicher, dass die Schicht zum Reflektieren der Γ-Elektronen keinen Potentialtopf für X-Elektronen darstellt.
Alternativ hierzu kann die Schicht zum Reflektieren von Γ-Elektronen zwischen der Schicht zum Reflektieren von X-Elektronen und dem p-dotierten Cladding-Gebiet angeordnet sein. Bei dieser Anordnung verursacht die Ausbildung eines Quantentopfes für X-Elektronen in der Schicht zum Reflektieren von Γ-Elektronen kein ernsthaftes Problem, zumal wenige X-Elektronen die Schicht zum Reflektieren von Γ-Elektronen erreichen. Diese Anordnung ermöglicht deshalb eine breitere Auswahl an Materialien für das optische Führungsgebiet.
Die Elektronen-reflektierende Barriere kann eine Mehrzahl erster Elektronen-reflektierender Schichten zum Reflektieren von Γ-Elektronen und eine Mehrzahl zweiter Elektronen-reflektierender Barrieren zum Reflektieren von X-Elektronen aufweisen. Die Elektronen-reflektierende Barriere kann eine Superlattice-Struktur sein. Dies ist möglich, da die Elektronenbarriere Verspannungs-kompensiert ist.
Die Vorrichtung kann im (Al,Ga,In)P System gefertigt sein, wobei die oder jede Schicht zum Reflektieren von Γ-Elektronen aus AlP oder aus GaP sein kann und die oder jede Schicht zum Reflektieren der X-Elektronen aus InP sein kann. Dies stellt einen geeigneten Weg zum Reduzieren des Leckstroms in einem (Al,Ga,In)P Laser dar.
Die Schicht zum Reflektieren von Γ-Elektronen kann aus AlP sein und das optische Führungsgebiet kann aus (Al_0.3Ga_0.7)_0.52In_0.48P sein. Dies führt dazu, dass das Γ-Leitungsband des optischen Führungsgebiets im Wesentlichen mit dem X-Leitungsband der Schicht zum Reflektieren der Γ-Elektronen entartet ist, was bevorzugt wird, falls die Schicht zum Reflektieren von Γ-Elektronen zwischen dem optischen Führungsgebiet und der Schicht zum Reflektieren von X-Elektronen angeordnet ist.
Die Dicke jeder der Elektronen-reflektierenden Schichten kann 16Å oder weniger betragen. Diese Dicke ist geringer als die kritische Dicke, bei der die Ausbildung von Versetzungen in einer verspannten Schicht energetisch bevorzugt ist.
Wenigstens eine der Elektronen-reflektierenden Schichten kann p-dotiert sein. Falls die Elektronen-reflektierenden Schichten stark p-dotiert sind, tritt eine Bandverbiegung auf und dies führt zur Vergrößerung der Höhe der Potentialbarriere für den Elektronentransport in das p-Cladding-Gebiet. Die p-Dotierung wird die Barrierenhöhe für Löchertransport in das optische Führungsgebiet ebenso reduzieren.
Die erste Elektronen-reflektierende Schicht oder wenigstens eine der ersten Elektronen-reflektierenden Schichten (falls mehr als eine existieren) kann Indium enthalten. Der Einbau von Indium in eine verspannte Schicht aus AlP oder GaP reduziert die Spannung in der Schicht und führt dadurch zu einer Vergrößerung der kritischen Dicke der Schicht. Die Schicht/die Schichten zum Reflektieren von Γ-Elektronen können deshalb dicker gemacht werden und dies reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen durch die Schicht tunneln.
Die Elektronen-reflektierende Barriere kann zwischen dem optischen Führungsgebiet und dem p-dotierten Cladding-Gebiet angeordnet sein.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung gibt eine optische Halbleitervorrichtung an mit: einem optischen Führungsgebiet; einem aktiven Gebiet mit wenigstens einem Energietopf, wobei das aktive Gebiet in dem optischen Führungsgebiet liegt, und n-dotierten und p-dotierten Cladding-Gebieten, die an gegenüberliegenden Seiten des optischen Führungsgebietes angeordnet sind, wobei eine Elektronen-reflektierende Schicht zum Reflektieren von Γ-Elektronen auf der p-Seite des aktiven Gebiets angeordnet ist, wobei die Elektronen-reflektierende Schicht aus AlP gebildet ist und wobei das Γ-Leitungsband des optischen Führungsgebiets im Wesentlichen mit dem X-Leitungsband der Elektronen-reflektierenden Schicht entartet ist.
Dieser Aspekt der Erfindung betrifft das oben erläuterte Problem mit Bezug zu den in S.J. Chang et al. und in US 5,509,024 beschriebenen Lasern. In diesem Zusammenhang ist das X-Leitungsband der Elektronen- reflektierenden Schicht als im Wesentlichen mit dem Γ-Leitungsband des optischen Führungsgebiets entartet gewählt. Dies verhindert die Ausbildung eines Quantentopfes für X-Elektronen in der Schicht zum Reflektieren von Γ-Elektronen. Dies lässt sich erzielen indem z.B. die Zusammensetzung des optischen Führungsgebiets geeignet gewählt wird.
WO 97/40560 beschreibt eine (Al,Ga,In)P Lichtemissionsdiode. Eine AlP Barrierenschicht ist zwischen das aktive Gebiet und das p-Typ Cladding-Gebiet der LED angeordnet. Während diese Barrierenschicht den Einschluss von Γ-Elektronen erhöht, wird ein Quantentopf im X-Leitungsband erzeugt. Die Tiefe dieses Quantentopfes beträgt ungefähr 0.4eV und wie oben beschrieben führt der Einbau des Quantentopfes zur Verschärfung des Problems des Ladungsträgerverlustes über X-Zustände in das p-dotierte Cladding-Gebiet der LED.
Das optische Führungsgebiet kann aus (Al_0.3Ga_0.7)_0.52In_0.48P gebildet sein.
Die Elektronen-reflektierende Schicht kann p-dotiert sein.
Die Elektronen-reflektierende Schicht kann zwischen dem optischen Führungsgebiet und dem p-dotierten Cladding-Gebiet angeordnet sein.
Die Vorrichtung kann eine Separate-Confinement-Heterostruktur-Laservorrichtung sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden detailliert anhand erläuternder Beispiele mit Bezug zu den begleitenden Figuren beschrieben, wobei:
1 zeigt die Variation in der Höhe der (Ga,In)P/(Al,Ga,In)P Heterobarriere als Funktion des Aluminiumgehalts der quaternären Verbindung;
2 zeigt ein schematisches Banddiagramm eines Separate-Confinement-Heterostruktur-Halbleiterlasers im (Al,Ga,In) P-System;
3 zeigt ein schematisches Banddiagramm eines SCH Lasers, der zu dem in 2 gezeigten Laser ähnlich ist, bei dem jedoch die Cladding-Schichten aus (Al,In)P gebildet sind;
4 zeigt ein unvollständiges schematisches Banddiagramm eines SCH Lasers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
5 zeigt ein schematisches Diagramm der Bandstruktur des optischen Führungsgebiets und p-Typ Cladding-Gebiets einer SCH Laservorrichtung mit einer Elektronen-reflektierenden Barrierenschicht gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
6 zeigt die Bandstruktur einer Modifikation der Ausführungsform in 5;
7 zeigt die schematische Bandstruktur einer weiteren Modifikation der 5;
8 zeigt die schematische Bandstruktur einer Modifikation der 6; und
9 ist eine Teilansicht des Leitungsbandes von 5;
10 zeigt die unvollständige schematische Bandstruktur einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
11 zeigt die unvollständige schematische Bandstruktur einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
BEST MODE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
4 ist eine unvollständige schematische Darstellung der Bandstruktur einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Diese zeigt die Bandstruktur des optischen Führungsgebiets 10 (oder Wellenleitergebiets) und des p-dotierten Cladding-Gebiets 11 einer SCH Laservorrichtung. Das optische Führungsgebiet 10 ist zwischen dem p-Typ Cladding-Gebiet 11 und einem n-Typ Cladding-Gebiet (nicht in 4 gezeigt) angeordnet. Ein aktives Gebiet (nicht dargestellt) mit wenigstens einem Energietopf zum Bereit stellen von Laseroszillation ist innerhalb des optischen Führungsgebiets 10 angeordnet.
Die Ausführungsform in 4 ist im (Al,Ga,In)P System hergestellt. Das optische Führungsgebiet 10 ist aus (Al_0.3Ga_0.7)_0.52In_0.48P gebildet. Das Cladding-Gebiet besteht aus (Al_xGa_1-x)_0.52In_0.48P, wobei 0.5 ≤ x ≤ 1.0. In der Ausführungsform in 4 ist x zu 1 gewählt, so dass die Cladding-Schicht 11 aus Al_0.52In_0.48P besteht und die Bandenergien in 4 für ein p-Typ Al_0.52In_0.48P Cladding-Gebiet gültig sind. Eine Elektronen-reflektierende Schicht 12, die aus AlP gebildet ist, ist zwischen dem optischen Führungsgebiet 10 und dem p-dotierten Cladding-Gebiet 11 angeordnet.
Die Gitterkonstante für AlP beträgt 5.467Å, wobei die Gitterkonstante des optischen Führungsgebiets 10 5.653Å beträgt (Wie oben erwähnt, ist (Al,Ga,In)P mit einem Indiumanteil von 0.48 an GaAs vom Gitter her an GaAs angepasst, so dass die Gitterkonstante des optischen Führungsgebiets mit der Gitterkonstante von GaAs übereinstimmt). Die Gitterkonstante des Cladding-Gebiets 11 beträgt ebenso 5.653Å, da das Cladding-Gebiet einen Indiumanteil von 0.48 aufweist. Somit beträgt die Gitterfehlanpassung zwischen der Elektronen-reflektierenden Schicht 12 und dem optischen Führungsgebiet 10 näherungsweise 3.4%.
Im Allgemeinen würden Versetzungen an einer Grenzfläche zwischen zwei Halbleitermaterialien mit einer Gitterfehlanpassung von 3.4% auftreten. Dies ist im gegebenen Falle unerwünscht, da diese Versetzungen und Defekte die Eigenschaft der Laservorrichtung verschlechtern würden.
Es ist allgemein bekannt, dass bei ausreichend geringer Gitterfehlanpassung zwischen einer unteren Schicht und einer aufgewachsenen Epitaxieschicht die ersten abgeschiedenen atomaren Schichten zur Anpassung an die Gitterkonstante der unteren Schicht verspannt sind, so dass eine zusammenhängende Grenzfläche ausgebildet wird. Mit zunehmender Dicke der aufgewachsenen Epitaxieschicht nimmt die homogene Verspannungsenergie zu bis eine kritische Dicke erreicht wird, bei der es energetisch günstiger ist, Versetzungen auszubilden. Das Vorliegen dieser kritischen Dicke wurde als erstes von J.H. Van der Merwe in „Journal of Applied Physics", Vol. 34, Seite 123 (1962) beschrieben. Es ist von Vorteil, dass die Dicke der Elektronen-reflektierenden Schicht 12 geringer als die kritische Dicke ist, um das Auftreten von Versetzungen zu vermeiden. In diesem Falle befindet sich die E lektronen-reflektierende Schicht in einem verspannten Zustand. In dieser Ausführungsform ist dies ein Zustand tensiler Verspannung, da AlP eine geringere Gitterkonstante als das Wellenleitergebiet 10 aufweist.
Für eine Gitterfehlanpassung von 3.4% wird die kritische Dicke, ab der Versetzungen auftreten, zu 16Å abgeschätzt, siehe R. People et al., „Applied Physics Letters", Vol. 47, Nr. 3, Seite 322-324 (1985). In der Ausführungsform in 4 beträgt die Dicke der Elektronen-reflektierenden Schicht deshalb vorzugsweise 16Å oder weniger.
In Volumen-AlP beträgt die Γ-Energielücke 3.6eV und die Γ-X Energielücke beträgt 2.5eV. In der Ausführungsform von 4 ist die AlP Schicht 12 jedoch unter tensiler Verspannung und dies reduziert die Energielücke bezüglich des Volumenwerts von 3.6eV. Die Energielücke wird zu 3.295eV für das Leichtloch- und zu 3.5eV für das Schwerloch-Valenzband reduziert. Diese Reduzierung der Energielücke einer verspannten Schicht ist beispielsweise in Chin-Yu Yeh et al, „Physical Review B", Vol. 50, Nr. 4, Seiten 2715-2718 (1994) beschrieben. Unter der Annahme eines 70:30 Bandoffsets führt die Elektronen-reflektierende AIP Schicht zu einer 0.801 eV Barriere hinsichtlich des Transports von Γ-Elektronen in das p-dotierte Cladding-Gebiet 11 (diese Berechnung verwendet die Energielücke der leichten Löcher). Das X-Band im optischen Führungsgebiet 10 liegt 0.15eV oberhalb des Γ-Bandes, so dass die überwiegende Anzahl der Elektronen in dem optischen Führungsgebiet im Γ-Band liegt. Diese Γ-Elektronen werden in das aktive Gebiet über die Elektronen-reflektierende Schicht 12 zurück reflektiert. Eine einfache Berechnung der Transmission eines Elektrons durch eine rechteckförmige Barriere ergibt, dass lediglich ungefähr 6% der Γ-Elektronen durch die Unterseite einer 0.801 eV hohen Potentialbarriere mit einer Dicke von 16Å hindurchtreten (diese Berechnung nimmt an, dass die effektive Masse der Γ-Elektronen m₀ = 0.15 beträgt). In der Praxis ist die Elektronentransmission durch die Elektronen-reflektierende Schicht in 4 wahrscheinlich geringer als 6%, was auf das dicke p-dotierte Cladding-Gebiet 11 benachbart zur Elektronen-reflektierenden Schicht zurückzuführen ist. Das p-dotierte Cladding-Gebiet 11 ist aus (Al_xGa_1-x)_0.52In_0.48P gebildet, wobei 0.5 < x < = 1.0 gilt und dieses weist eine Γ-Γ Bandlücke von bis zu 2.7eV auf. Die Transmission durch die AlP Schicht erhöht sich auf ungefähr 13% bei einer mit dem Γ Band in dem Cladding-Gebiet entarteten Energie.
Das Leichtloch-Valenzband ist bezüglich der Energie gegenüber dem Schwerloch-Valenzband in der AlP Schicht 12 reduziert, da die Schicht unter tensiler Verspannung steht. Die Energielücke der leichten Löcher im Leitungsband beträgt 3.294eV. Dies führt zu einer Potentialbarriere für leichte Löcher von 0.178eV. Es besteht eine Wahrscheinlichkeit von ungefähr 26%, dass Löcher durch diese Barriere in das optische Führungsgebiet 10 tunneln.
Die Energielücke der schweren Löcher im Leitungsband der AlP Schicht 12 beträgt 3.497eV, was zu einer Barriere für schwere Löcher von 0.239eV führt (die Barriere für schwere Löcher ist in 4 nicht dargestellt).
(Es ist zu beachten, dass der Wert für die Γ-Γ-Energielücke in AlP größer (4.4eV) als der oben angegebene Wert sein kann, wie von Chin-Yu Yeh et al vorgeschlagen wurde und dass der Bandoffset für kompressiv verspannte Schichten eher 85:15 als 70:30 beträgt, wie von M.D. Dawson et al. „Applied Physics Leiters", Vol. 64 (7), Seite 892 (1994) vorgeschlagen wurde. Beide Effekte würden zu einer Vergrößerung der in 4 gezeigten Potentialbarriere führen.)
In der in 4 gezeigten Ausführungsform wurde die Aluminium-konzentration in dem optischen Wellenführungsgebiet derart ausgewählt, dass das Γ-Band in dem optischen Führungsgebiet 10 mit dem X-Band in der AlP Schicht 12 entartet ist. Dies verhindert das Ausbilden eines Quantentopfes für X-Elektronen in der AlP Schicht und kommt damit über die obigen Probleme der von Chang et al. und US 5,509,024 vorgeschlagenen Vorrichtungen hinweg.
Darüber hinaus ist für ein AlInP Cladding-Gebiet das X-Band des p-dotierten Cladding-Gebiets 11 in 4 um 0.06eV größer als das X-Band in der AlP Schicht 12 (falls das Cladding-Gebiet einen geringeren Aluminiumanteil aufweist, ist das Potential des X-Bands geringer). Die wenigen X-Elektronen in dem optischen Führungsgebiet 10 treten deshalb einer 0.06eV Potentialbarriere beim Transport in das p-dotierte Cladding-Gebiet entgegen und dies führt zu einem Einschluss derselbigen innerhalb des Wellenleitergebietes. Somit ist ersichtlich, dass die in 4 gezeigte Struktur eine Barriere für sowohl Γ-Elektronen als auch X-Elektronen angibt. Die AlP Schicht 12 stellt eine größere Potentialbarriere für Γ-Elektronen bereit als die p-dotierte Cladding-Schicht 11.
Im Gegensatz hierzu ist in der in 3 gezeigten bekannten Struktur das X-Leitungsband in dem p-dotierten Cladding-Gebiet kleiner als das X-Band in dem optischen Führungsgebiet. In der bekannten Struktur liegt deshalb keine Potentialbarriere vor, die X-Elektronen hindert aus dem optischen Führungsgebiet in das Cladding-Gebiet zu wandern.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 5 dargestellt. Diese Figur zeigt erneut die Energielückenstruktur eines im (Al,Ga,In)P System hergestellten SCH Lasers, dessen Gitter an GaAs angepasst ist. Das p-dotierte Cladding-Gebiet 11 ist aus (Al_xGa_1-x)_0.52In_0.48P ausgebildet, wobei 0.5 < x ≤ 1.0 gilt und vorzugsweise 0.7 < x ≤ 1.0. In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist x zu 1.0 gewählt und die in den 5 und 9 gezeigten Bandenergien beziehen sich auf eine Cladding-Schicht aus Al_0.52In_0.48P. Das aktive Gebiet 16 und das n-Typ Cladding-Gebiet 17 der Laservorrichtung sind in 5 schematisch dargestellt. Die genaue Beschaffenheit und der Aufbau des aktiven Gebiets 16 und des n-Typ Cladding-Gebiets 17 sind für die Erfindung nicht von Bedeutung und werden deshalb nicht weiter beschrieben.
In dieser Ausführungsform wird eine Verspannungs-kompensierte Barrierenschicht 14 an der Grenzfläche zwischen dem Wellenleitergebiet und dem p-dotierten Cladding-Gebiet angeordnet. Die Verspannungskompensierte Barrierenschicht besteht aus einer AlP Schicht 12 und einer InP Schicht 13. Die Barrierenschicht 14 stellt eine Potentialbarriere für sowohl Γ-Elektronen als auch X-Elektronen dar.
Die AlP Schicht 12 und die InP Schicht 13 sind beide mit einer im Vergleich zur kritischen Dicke kleineren Dicke gewählt, um das Auftreten von Versetzungen zu verhindern. Die AlP Schicht 12 und die InP Schicht 13 stehen deshalb beide unter Verspannung. Wie oben in Verbindung mit 4 erwähnt, ist die AlP Schicht 12 in einem Zustand tensiler Verspannung, da deren Gitterkonstante ungefähr 3.4% kleiner als die Gitterkonstante des optischen Führungsgebiets 10 ist (dessen Gitterkonstante an GaAs angepasst ist und damit 5.6531 beträgt). Jedoch ist die InP Schicht in einem Zustand kompressiver Verspannung, da deren Gitterkonstante ungefähr 3.8% größer ist als die Gitterkonstante des optischen Führungsgebiets 10.
Im Falle, dass sich eine Schicht im Zustand kompressiver Verspannung befindet vergrößert sich die Γ-Energielücke, während sich die X-Energielücke verkleinert. Die Valenzbandentartung wird aufgeteilt, wobei das Schwerlochband bei geringerer Energie liegt als das Leichtlochband.
Wie oben mit Bezug zu 4 erwähnt, stellt die AlP Schicht 12 eine Potentialbarriere von 0.801eV für die Γ-Elektronen in dem optischen Führungsgebiet 10 dar.
Die Dicke der InP Schicht ist derart gewählt, dass der erste eingeschlossene Zustand in der InP Schicht oberhalb des X-Bandes in der p-dotierten Cladding-Schicht 11 und ebenso oberhalb des X-Bandes in der AlP Schicht 12 liegt. Die InP Schicht wirkt folglich als zusätzliche Elektronenreflektierende Schicht auf Elektronen, denen es gelingt durch die AlP Schicht zu treten. Diese stellt eine 0.275eV Potentialbarriere für X-Elektronen in dem optischen Führungsgebiet 10 dar. Die InP Schicht 13 verhindert deshalb den Verlust von Elektronen aus dem optischen Führungsgebiet 10 über X-Zustände in das Cladding-Gebiet 11.
In vorteilhafter Weise wird der Aluminiumgehalt des optischen Führungsgebiets 10 derart gewählt, dass das Γ-Band im optischen Führungsgebiet 10 mit dem X-Band in der AlP Schicht 12 entartet ist um zu verhindern, dass ein Quantentopf für X-Elektronen in der AlP Schicht 12 ausgebildet wird. Um dies zu erzielen, wird das optische Führungsgebiet vorzugsweise aus (Al_0.3Ga_0.7)_0.52In_0.48P ausgebildet.
9 stellt das Leitungsband des optischen Führungsgebiets und das p-Typ Cladding-Gebiet der Struktur aus 5 dar.
Γ-Elektronen mit einer Energie E₀, die der Leitungsbandenergie des optischen Führungsgebiets 10 entspricht, erfahren eine 0.801eV Potentialbarriere, die eine Dicke von 16Å aufweist. Wie oben mit Bezug zu 4 erwähnt, werden lediglich 6% der Γ-Elektronen durch die Unterseite einer derartigen Barriere hindurchgelassen (unter der Annahme einer effektiven Masse m₀ = 0.15). (Tatsächlich liegt nahezu kein Γ-Elektronenverlust bei der Leitungsbandenergie des optischen Führungsgebietes aufgrund des Vorhandenseins des dicken p-dotierten Cladding-Gebiets 11 vor.)
X-Elektronen mit einer Energie E₀ treten einer 0.275eV Potentialbarriere gegenüber, die von der InP Schicht 14 herrührt. Näherungsweise 6% der X-Elektronen mit einer Energie E₀ werden durch diese Barriere hindurchgelassen, wobei eine effektive Masse von m₀ = 0.45 angenommen wird.
Die in 9 gezeigte Energie E₁ entspricht dem Γ-Band des p-Typ Cladding-Gebiets 11. In einer bekannten SCH Laserstruktur wie etwa der in 2 gezeigten Struktur würden Elektronen in dem optischen Führungsgebiet mit einer Energie E₁ nicht eingeschlossen werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese Elektronen aus dem optischen Führungsgebiet 10 in die p-Typ Cladding-Schicht 11 hindurchtreten, würde eins entsprechen und damit wären diese Elektronen verloren. In der Erfindung treten die Γ-Elektronen mit einer Energie von E₁ jedoch einer Potentialbarriere von 0.526eV gegenüber, was auf die AlP Schicht 12 zurückzuführen ist. Näherungsweise 87% der Γ-Elektronen bei der Energie E₁ werden durch die AIP Schicht 12 zurück in das Wellenleitergebiet 10 reflektiert und lediglich 13% der Elektronen verschwinden aus dem optischen Führungsgebiet 10 in das p-Typ Cladding-Gebiet 11. Dieser verbesserte Einschluss verbessert die Effizienz und die Hochtemperatureigenschaften der Laserdiode.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Barrierenschicht 14 Verspannungs-kompensiert ist, da diese aus einer unter tensiler Verspannung stehenden Schicht und einer unter kompressiver Verspannung stehenden Schicht ausgebildet ist. Da die Barrierenschicht 14 Verspannungs-kompensiert ist, ist es möglich zwei oder mehr Barrierenschichten anzugeben und dadurch den Einschluss von Elektronen im optischen Führungsgebiet 10 weiter zu verbessern. Es wäre ebenso möglich, eine AlP/InP Superlattice-Barrierenschicht anzugeben. 10 zeigt eine Modifikation der Ausführungsform in 5, bei der die Barrierenschicht 14 aus zwei AlP Schichten 12 und zwei InP Schichten 13 ausgebildet ist und 11 zeigt eine weitere Modifikation der 5, bei der die Barrierenschicht 14 ein Superlattice aus vier AlP Schichten 12 und vier InP Schichten 13 ist.
Ein weiterer möglicher Vorteil liegt im Einsatz einer Verspannungs-kompensiertett Barrierenschicht 14. Wie oben erläutert, weist eine verspannte Schicht eine kritische Dicke auf, ab der Versetzungen auftreten. Wie jedoch berichtet wurde, lässt sich eine Verspannungs-kompensierte Barrierenschicht erzielen, die dicker als die Summe der kritischen Dicken jeder einzelnen Schicht ohne Einbau von Defekten in die Schichten ist. Dadurch ist es möglich, eine Verspannungs-kompensierte AlP/InP Barrierenschicht zu wachsen, die dicker als die Kombination der kritischen Dicken von AlP und von InP ohne Ausbildung von Versetzungen ist. Lässt sich eine dickere Elektronen-reflektierende Barriere ohne den Einbau von Defekten wachsen, werden mehr Elektronen zurück in das optische Führungsgebiet reflektiert und dadurch lässt sich der Einschluss der Elektronen verbessern.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 6 dargestellt. Diese ist allgemein ähnlich zu der Ausführungsform in 5, außer dass die InP Schicht 14 zwischen dem optischen Führungsgebiet 10 und der AlP Schicht 12 liegt. Wie in den Ausführungsformen in 4 und 5, gelten die in 6 dargestellten Bandenergien für eine p-Typ Al_0.52In_0.48P Cladding-Schicht, obwohl prinzipiell die p-Typ Cladding-Schicht aus (Al_xGa_1-x)_0.52In_0.48P mit 0.5 < x ≤ 1.0 gebildet sein kann. Das aktive Gebiet und das n-Typ Cladding-Gebiet sind in 6 nicht dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform ist die InP Schicht 13 ausreichend dünn, so dass der erste eingeschlossene Zustand an der Oberseite des in dem Γ-Band ausgebildeten Potentialtopfs liegt.
In dieser Ausführungsform treten X-Elektronen in dem optischen Wellenleitergebiet 10 einer 0.275eV Potentialbarriere gegenüber, die durch die InP Schicht gegeben ist. Wie oben in Zusammenhang mit 9 erwähnt, werden lediglich ungefähr 6% der X-Elektronen durch eine derartige Barriere hindurchgelassen. Somit ist die mögliche Ausbildung eines Quantentopfes für X-Elektronen in der AlP Schicht 12 weniger von Bedeutung. Deshalb besteht keine Notwendigkeit den Aufbau des optischen Führungsgebietes 10 derart zu wählen, dass dessen Γ-Band mit dem X-Band in der AlP Schicht 12 entartet ist. Dies stellt eine größere Freiheit bei der Wahl des Aufbaus der LD dar. Insbesondere lässt sich der Aluminiumgehalt des optischen Führungsgebiets 10 bis zu einem Wert x von ungefähr 0.5 erhöhen.
In der in 6 dargestellten Ausführungsform ist das optische Führungsgebiet 10 aus (Al_0.4Ga_0.6)_0.52In_0.48P ausgebildet. Deshalb beträgt die Potentialbarriere für Γ-Elektronen 0.75eV.
Ein weiterer Vorteil der Ausführungsform in 6 liegt darin, dass kein derartiger Quantentopf auf der Seite des p-dotierten Cladding-Gebiets der Barrierenschicht 14 vorliegt, der dazu neigt Löcher einzufangen. Löcher, die über die durch die AlP Schicht 12 gegebene Potentialbarriere injiziert werden neigen dazu, den durch die InP Schicht 13 ausgebildeten Quantentopf „zu überspringen" und in das optische Führungsgebiet 10 einzutreten.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 7 gezeigt. Diese ist im Allgemeinen ähnlich zur Ausführungsform in 5, außer dass die AlP Schicht 12 der 5 durch eine GaP Schicht 15 ersetzt ist. Die Barrierenschicht 14 in dieser Ausführungsform ist aus der GaP Schicht 15 und einer InP Schicht 13 gebildet. Die in 7 gezeigten Bandenergien betreffen ein p-Typ Al_0.52In_0.48P Cladding-Gebiet 11. Prinzipiell kann das p-Typ Cladding-Gebiet jedoch als (Al_xGa_1-x)_0.52In_0.48P Schicht mit 0.5 < x ≤ 1.0 ausgebildet werden. Das aktive Gebiet und das n-Typ Cladding-Gebiet sind in 7 nicht dargestellt.
GaP weist im Volumen eine Γ-Γ-Energielücke von 2.9eV und eine Γ-X Energielücke von 2.3eV auf. GaP weist eine Gitterkonstante von 5.4511 auf, was zu einer Gitterfehlanpassung von ungefähr 3.7% verglichen mit GaAs führt. Deshalb befindet sich die GaP Schicht 15 in 8 in einem Zustand tensiler Verspannung. Diese tensile Verspannung reduziert die Γ-Γ Bandlücke der GaP Schicht 15 unterhalb des Wertes für GaP im Volumen, erhöht jedoch die Γ-X Bandlücke.
Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen ist die Dicke der GaP Schicht 15 notwendigerweise geringer als die kritische Dicke, ab der Versetzungen auftreten. Diese kritische Dicke beträgt erneut ungefähr 16Å.
Ein Vorteil der Verwendung von GaP anstatt von AlP liegt darin, dass Löcher im Valenzband einer geringeren Potentialbarriere gegenübertreten. 7 zeigt, dass die Potentialbarriere für Löcher 0.124eV beträgt verglichen mit 0.178eV in 5 und 6. Die Wahrscheinlichkeit für Löchertransmission für eine 0.124eV Barriere mit einer Dicke von 16Å beträgt ungefähr 33%.
Ein möglicher Nachteil der Struktur in 7 liegt darin, dass die Potentialbarriere für Γ-Elektronen in dem optischen Führungsgebiet 10 geringer als diejenige in 5 ist. Wie in 7 gezeigt, beträgt die Potentialbarriere für Γ-Elektronen bei Einsatz einer GaP Schicht 0.465eV verglichen mit 0.801eV für eine AlP Schicht. Eine 0.465eV Potentialbarriere mit einer Dicke von 16Å ergibt eine Transmissionswahrscheinlichkeit von ungefähr 11% unter Annahme einer effektiven Masse von m₀ = 0.15. Wie oben erwähnt, ist jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass ein Γ-Elektron in das p-dotierte Cladding-Gebiet hindurchgelassen wird, wahrscheinlich geringer als dieser berechnete Wert, zumal eine dicke (AlGa)InP Schicht mit einer Γ-Γ Energielücke von bis zu 2.7eV benachbart zur Barrierenschicht 14 liegt.
Ein Elektron im Wellenleitergebiet 10, dessen Energie mit dem Γ-Band des Cladding-Gebiets 11 entartet ist, weist eine Wahrscheinlichkeit von ungefähr 18% hinsichtlich der Transmission durch die Barrierenschicht 14 in das Cladding-Gebiet 11 auf.
In dieser Ausführungsform ist es von Vorteil, die Aluminiumzusammensetzung des optischen Führungsgebiets 10 derart zu wählen, dass dessen Γ-Band mit dem X-Band der GaP Schicht entartet ist um das Ausbilden eines Quantentopfes zum Einfangen von X-Elektronen zu verhindern. In der Ausführungsform in 7 wird dies dadurch erzielt, dass der Aluminiumanteil x des optischen Führungsgebiets 10 zu x = 0.4 gewählt wird.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 8 gezeigt. Diese ist ähnlich zu derjenigen in 7, jedoch ist die InP Schicht 13 zwischen der GaP Schicht 15 und dem optischen Führungsgebiet 10 angeordnet. Somit entspricht diese Ausführungsform der Ausführungsform in 6, wobei jedoch die AlP Schicht 12 der 6 durch eine GaP Schicht 15 ersetzt ist. Die in 7 gezeigten Bandenergien betreffen ein p-Typ Al_0.52In_0.48P Cladding-Gebiet 11. Jedoch kann das p-Typ Cladding-Gebiet prinzipiell auch aus einer (Al_xGa_1-x)_0.52In_0.48P Schicht aufgebaut sein, wobei 0.5 < x ≤ 1.0 gilt. Das aktive Gebiet und das n-Typ Cladding-Gebiet sind in 8 nicht dargestellt.
Für die mit Bezug zu 6 dargelegten Gründe ist es nicht notwendig, dass das Γ-Band in dem optischen Führungsgebiet 10 mit dem X-Band in der GaP Schicht 15 entartet ist. Dies bedeutet, dass die Aluminiumkonzentration des optischen Führungsgebietes freier wählbar ist als die Aluminiumkonzentration des optischen Führungsgebietes 10 der Ausführungsform in 7. In der Ausführungsform in 8 ist das optische Führungsgebiet aus (Al_0.4Ga_0.6)_0.52In_0.48P ausgebildet. Für ein optisches Führungsgebiet 10 mit diesem Aufbau befindet sich der überwiegende Anteil der Elektronen in dem Γ-Band und diese treten einer 0.465eV Potentialbarriere bei der Transmission in das p-dotierte Cladding-Gebiet 11 gegenüber. X-Elektronen in dem optischen Führungsgebiet 10 treten einer 0.29eV Potentialbarriere gegenüber, die auf das Vorhandensein der InP Schicht zurückzuführen ist. Die Potentialbarriere in dem Valenzband beträgt für Löcherinjektion 0.124eV. Wie in der Ausführungsform in 6 werden Elektronen, die die durch die GaP Schicht 15 ausgebildete Potentialbarriere überwinden, wahrscheinlich in das Wellenleitergebiet 10 übernommen und „überspringen" somit den durch die InP Schicht 13 im Valenzband ausgebildeten Potentialtopf.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Elektronen-reflektierenden Schichten 12, 13 und 15 nicht dotiert. Es ist jedoch ebenso möglich diese Schichten stark p zu dotieren. Ein Dotieren der Elektronen-reflektierenden Schichten verursacht eine Bandverbiegung und diese Bandverbiegung vergrößert die Höhe der Potentialbarriere für Elektronentransport von dem optischen Führungsgebiet 10 in das p-Typ Cladding-Gebiet 11. Eine p-Dotierung der Barrierenschichten reduziert ebenso die Barrierenhöhe für Löchertransport in das optische Führungsgebiet.
Die Erfindung wurde mit Bezug zu einem (Al,Ga,In)P Verbindungssystem beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses spezielle Verbindungssystem beschränkt. Ein Fachmann der Halbleiterphysik und elektronischer Materialien erkennt, dass die Erfindung auf eine beliebige Heterostruktur-Laservorrichtung Anwendung finden kann, deren Bestandteile eine Leitungsbandabhängigkeit aufweisen, die ähnlich zu der in 1 gezeigten ist.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Elektronenreflektierenden Schichten 12, 13, 15 an der Grenzfläche zwischen dem optischen Führungsgebiet 10 und dem p-dotierten Cladding-Gebiet 11 angeordnet. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass die Elektronenreflektierenden Schichten exakt an der Grenzfläche zwischen dem optischen Führungsgebiet und dem p-dotierten Cladding-Gebiet angeordnet sind. Prinzipiell kann die Elektronen-reflektierende Schicht(en) innerhalb des optischen Führungsgebiets 10 angeordnet sein, in der p-Seite des optischen Führungsgebietes. Darüber hinaus kann die Elektronen-reflektierende(n) Barrierenschicht(en) generell innerhalb des p-dotierten Cladding-Gebiets in der Nähe der Grenzfläche zum optischen Führungsgebiet angeordnet sein. Dies wird jedoch weniger bevorzugt, da einmal in das p-dotierte Cladding-Gebiet eingedrungene Elektronen über X-Zustände in das Cladding-Gebiet verloren gehen können, selbst wenn eine Potentialbarriere in dem Γ-Band innerhalb des Cladding-Gebiets vorliegt.
Obwohl die Erfindung mit Bezug zu SCH Laservorrichtungen beschrieben wurde, ist diese nicht auf SCH Laservorrichtungen beschränkt, sondern kann auf weitere optische Halbleitervorrichtungen Anwendung finden. Beispielsweise kann diese auf weitere Laservorrichtungen angewandt werden, wie etwa Vertical-Cavity Laservorrichtungen oder auf Lichtemissionsdioden wie einer Resonant Cavity LED.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Gemäß der in den Ansprüchen definierten Erfindung wird eine Barriere bereitgestellt, die einen Leckstrom von sowohl Γ-Elektronen und X-Elektronen verhindert. Das Problem von Ladungsträgerverlust über die X-Zustände in dem p-dotierten Cladding-Gebiet wird verhindert oder wenigstens erheblich reduziert, zumal die Elektronen-reflektierende Barriere X-Elektronen als auch Γ-Elektronen reflektiert.
Gemäß der in den Ansprüchen definierten Erfindung ist das X-Leitungsband der AlP Elektronen-reflektierenden Schicht im Wesentlichen mit dem Γ-Leitungsband des optischen Führungsgebiets entartet gewählt. Dies verhindert die Ausbildung von Quantentöpfen für X-Elektronen in der Schicht zum Reflektieren von Γ-Elektronen. Dies lässt sich beispielsweise durch geeignete Auswahl der Zusammensetzung des optischen Wellenleitergebiets erzielen.

Claims

Optische Halbleitervorrichtung mit: einem aktiven Gebiet; und einem p-dotierten Cladding-Gebiet (11), das auf einer Seite des aktiven Gebiets angeordnet ist; wobei eine Elektronen-reflektierende Barriere (14) auf der p-Seite des aktiven Gebiets zum Reflektieren von sowohl Γ-Elektronen als auch X-Elektronen vorgesehen ist und die Elektronen-reflektierende Barriere für die Γ-Elektronen eine größere Potentialbarriere als für die X-Elektronen darstellt; und wobei die Elektronen-reflektierende Barriere (14) eine erste Elektronenreflektierende Schicht (12, 15) zum Reflektieren von Γ-Elektronen und eine zweite Elektronen-reflektierende Schicht zum Reflektieren von X-Elektronen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der Elektronenreflektierenden Schichten (12, 13, 15) eine verspannte Schicht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine der Elektronenreflektierenden Schichten (13) in einem kompressiven Verspannungszustand und die andere der Elektronen-reflektierenden Schichten (12, 15) in einem tensilen Verspannungszustand ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Vorrichtung eine Lichtemissionsdiode ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Vorrichtung eine Laservorrichtung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Vorrichtung eine Separate-Confinement-Heterostruktur-Laservorrichtung mit einem optischen Führungsgebiet (10) ist, wobei das aktive Gebiet innerhalb des optischen Führungsgebiets (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Schicht (12, 15) zum Reflektieren der Γ-Elektronen zwischen dem optischen Führungsgebiet (10) und der Schicht (13) zum Reflektieren der X-Elektronen angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Γ-Leitungsband des optischen Führungsgebiets (10) im Wesentlichen mit dem X-Leitungsband der Schicht (12, 15) zum Reflektieren von Γ-Elektronen entartet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schicht (12, 15) zum Reflektieren von Γ-Elektronen zwischen der Schicht (13) zum Reflektieren von X-Elektronen und dem p-dotierten Cladding-Gebiet (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Elektronen-reflektierende Barriere (14) eine Mehrzahl von ersten Elektronenreflektierenden Schichten (12) zum Reflektieren von Γ-Elektronen und eine Mehrzahl von zweiten Elektronen-reflektierenden Schichten (13) zum Reflektieren von X-Elektronen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Elektronen-reflektierende Barriere (14) eine Superlattice-Struktur ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vorrichtung in dem (Al,Ga,In)P System gefertigt ist, die Schicht (12, 15) zum Reflektieren der Γ-Elektronen aus einem Material der Gruppe bestehend aus AlP und GaP gebildet ist und die Schicht (13) zum Reflektieren der X-Elektronen aus InP besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Vorrichtung im (Al,Ga,In)P System gefertigt ist, jede Schicht (12) zum Reflektieren von Γ-Elektronen aus einem Material der Gruppe bestehend aus AlP und GaP gebildet ist und jede Schicht (13) zum Reflektieren von X-Elektronen aus InP besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Schicht (12) zum Reflektieren von Γ-Elektronen AIP entspricht und das optische Führungsgebiet (10) (Al_0.3Ga_0.7)_0.52In_0.48P entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Dicke jeder der Elektronenreflektierenden Schichten (12, 13, 15) 1.6nm (16Å) oder weniger beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der Elektronen-reflektierenden Schichten (12, 13, 15) p-dotiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die erste Elektronenreflektierende Schicht (12) Indium enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Elektronen-reflektierende Barriere (14) zwischen dem optischen Führungsgebiet (10) und dem p-dotierten Cladding-Gebiet (11) angeordnet ist.
Optische Halbleitervorrichtung mit: einem optischen Führungsgebiet (10); einem aktiven Gebiet mit wenigstens einem Energietopf, wobei das aktive Gebiet in dem optischen Führungsgebiet (10) liegt; und n-dotierten und p-dotierten Cladding-Gebieten (11), die an gegenüberliegenden Seiten des optischen Führungsgebietes (10) angeordnet sind; wobei eine Elektronen-reflektierende Schicht (12) zum Reflektieren von Γ-Elektronen auf der p-Seite des aktiven Gebiets vorgesehen ist; wobei die Elektronen-reflektierende Schicht (12) aus AIP gebildet ist und das Γ-Leitungsband des optischen Führungsgebiets (10) im Wesentlichen mit dem X-Leitungsband der Elektronen-reflektierenden Schicht (12) entartet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei das optische Führungsgebiet (10) aus (Al_0.3Ga_0.7)_0.52In_0.48P gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Elektronenreflektierende Schicht (12) p-dotiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, 20 oder 21, wobei die Elektronenreflektierende Schicht (12) zwischen dem optischen Führungsgebiet (10) und dem p-dotierten Cladding-Gebiet (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die Vorrichtung eine Separate-Confinement-Heterostruktur-Laservorrichtung ist.