B e s c h r e i b u n g

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf Quantenschichtstrukturen insbesondere für Laser oder Detektoren, mit mindestens vier Halbleiterschichten- wobei zwischen zwei äußeren Barrierenschichten innere Schichten angeordnet sind.

Die Quantenschichtstrukturen bestehen aus Schichten verschiedener Verbindungen, deren Emissions bzw. Ab¬ sorptionswellenlänge durch die erfindungsgemäße Be¬ schichtung größer ist als die Emissions bzw. Absorp¬ tionswellenlänge der Verbindungen selbst. Werden die erfindungsgemäßen Quantenschichtstrukturen auf Gallium- arsenidsubstraten aufgebracht, so sind Wellenlängen von 1,3 um oder auch höher möglich. Bei Verwendung von InP- Substraten sind Wellenlängen im Bereich zwischen unge¬ fähr 2 um und 5 μm möglich. Geeignet sind derartige Quantenschichtstrukturen z.B. als Halbleiterinjektions¬ laser, Modulatoren und Detektoren insbesondere auch photovoltaische Detektoren (siehe z.B. Y. Sugiyama et al., J. Cryst. Growth, £5, 1989, 263-366).

Stand der Technik

Bei Betrachtung der Verlustfunktion einer Glasfaser ist festzustellen, daß minimale Verluste bei 1,3 μm und 1,55 μm Wellenlänge zu beobachten sind. Siehe dazu z.B. S. M. Sze in Physics of Semiconductor Devices, 2 ^nd Edition (1981), 704. Der Spektralbereich um 1,3 um ist der international standardisierte Wellenlängenbereich für die optischen Nachrichtenübertragungen über Glas¬ faserübertragungsstrecken. Es wird erwartet, daß die¬ ser, die großen Netze der nationalen und international operierenden Fernmeldeorganisationen beherrschende Spektralbereich sich bis zu den privaten Nachrichten¬ konsumenten ausbreiten wird ( "Fibre to the Home"). Optoelektronische Bauelemente für diesen Spektralbe¬ reich sind darum von besonderer technischer Bedeutung.

Optoelektronische Bauelemente, wie z.B. Laser, Detek¬ toren und Modulatoren für den Spektralbereich von 1,3 μm werden heute ausnahmslos auf Indiumphosphitsubstra- ten hergestellt.

Der mittelwellige Infrarotbereich (2-5μm) ist für den laserspektroskopischen Nachweis von Spurengasen in der Atmosphäre von erheblicher technischer Bedeutung, weil fast alle infrarotaktiven Gase in diesem Wellenlängen¬ bereich mehr oder weniger starke Absorptionsbanden haben. Diese Anwendung wird "Environmental Monitoring" genannt. Für diese Anwendung setzt man heutzutage Blei¬ salzlaserdioden ein. Selbst nach 20-jähriger Entwick¬ lungszeit sind diese Bauelemente immer noch in einem schlechten technischen Zustand. Sie müssen auf tiefe Betriebstemperatur abgekühlt werden, das Modemspektrum ist instabil und die Zuverlässigkeit befriedigt nur sehr geringe anwendungstechnische Standards.

Um den Wellenlängenbereich von 1,3 μm zu erreichen, wären andere Materialkombinationen, wie z.B. Ga _x Inι. _x As _y Pι.y , GaAs _x Sbι_ _x , InAs _x Pι- _x , (Al _x Gaι_ _x ) _y Im._ _j As oder In _x Gaι_ _x As, wobei x und y von 0 bis 1 variiert werden können, bei Betrachtung der zugehörigen fundamentalen Bandlücken und den damit korrespondierenden Wellenlängen aussichtsreiche Kandi¬ daten. Die Technologie dieser Bauelemente ist aller¬ dings schwierig und die technisch wünschenswerte Inte¬ gration mit komplexen elektronischen Schaltkreisen auf dem gleichen Substrat ist trotz erheblichen internatio¬ nalen Forschungsanstrengungen nicht gelungen.

Die längste, bisher bei einem Laser auf Galliumarsenid- substraten erreichte Emissionswellenlänge liegt bei ca. 1,1 μm. Die aktive Schicht dieser Laser ist eine mecha¬ nisch verspannte Quantenschichtstruktur aus Galliumin- diumarsenid (P.K. York et al, Journal of Crystal Growth 107 (1991) 741). Eine nennenswert längere Emissionswel¬ lenlänge ist mit dieser Struktur aus prinzipiellen Gründen nicht zu erreichen.

In der Veröffentlichung "Linewidth enhancement factor for GalnSbAs/GaSb lasers", A. N. Baranov, Appl. Phys. Lett. 59 (1991), 2360 wird eine Heterolaserstruktur offenbart, bei der an einem pn-Übergang durch Betrieb des Lasers eine Bandverbiegung erreicht wird, in der lokalisierte Löcher und Elektronen miteinander strah¬ lend rekombinieren können. Erst durch die Bandverbie¬ gung kommt es zur Quantelung von Elektron- bzw. Loch¬ energien im Bereich der Bandverbiegung. D.h. daß bei schwacher Strominjektion existiert keine Quantelung.

Die verwendeten Halbleitermaterialien können nur auf einem GaSb-Substrat gitterangepaßt aufgebracht werden. Sie sind also für die technisch relevanten Substrate, wie insbesondere GaAs nicht zugänglich.

Der vorgestellte Laser hat weiterhin den Nachteil, daß ein hoher Schwellstrom verwendet werden muß, um den Laservorgang zu starten. Alle zur Optimierung von La¬ serstrukturen bekannten Techniken, wie z.B. Erniedri¬ gung des Schwellstromes, Erhöhung der Modulationsge¬ schwindigkeit und der Leistung, können auf die von Baranov vorgestellte Laserstruktur nicht angewendet werden, da ein pn-Übergang verwendet worden ist. Ferner kommt es im Pulsbetrieb bei diesem Laser zu einem star¬ ken Frequenzjitter.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung hat die Aufgabe Quantenschichtstrukturen vorzustellen, die eine Verringerung der Emissions bzw. Absorptionsenergie bzw. Erhöhung der Emissions¬ bzw. Absorptionswellenlänge im Vergleich zu herkömm¬ lichen Quantenschichtstrukturen ermöglichen. Dabei ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, technische Geräte wie Laser oder Detektoren anzugeben, die sich durch einen geringen Schwellstrom, eine hohe Leistung und eine hohe Modulationsgeschwindigkeit auszeichnen.

Erfindungsgemäß sind auf Galliumarsenidsubstraten ins¬ besondere Quantenschichtstrukturen herstellbar, deren Emissions- bzw. Absorptionswellenlängen bei 1,3 μm und/oder 1,55 um liegen, während bei InP-Substraten Wellenlängen zwischen 2 und 5 μm möglich sind.

Aus diesen Quantenschichtstrukturen lassen sich dann Laser, wie z.B. Halbleiterinjektionslaser, Modulatoren, Detektoren und Heterobipolartransistoren herstellen. Mit den erfindungsgemäßen Quantenschichtstrukturen ist es vorteilsweise möglich, die optoelektronischen Bau¬ elemente mit komplexen elektronischen Schaltungen auf Galliumarsenid- bzw. Indiumphosphidsubstraten monoli- tisch zu integrieren.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist der ver¬ gleichsweise geringere Preis bei Verwendung von Gal- liumarsenidsubstraten im Vergleich zu z.B. Indiumphos- phitsubstraten und bei Verwendung von Indiumphosphit- substraten werden die Nachteile, die insbesondere bei der Verwendung von Bleisalzlaserdioden auftreten, näm¬ lich die notwendige Kühlung, das instabile Modemspek¬ trum und die unbefriedigende Zuverlässigkeit vermieden. Diese Vorteile kommen schon bei der Fabrikation von Einzelbauelementen zum tragen.

Erfindungsgemäß werden Quantenschichtstrukturen vorge¬ schlagen, die mindestens vier Halbleiterschichten (Sl, S2, S3, S4) aufweisen, wobei zwischen zwei äußeren Barrierenschichten (Sl, S4) mindestens innere Schichten (S2, S3) angeordnet sind. Dabei ist es wesentlich, daß schon ohne Anlegen einer elektrischen Spannung die Leitungsbandunterkante einer der inneren Schichten ein absolutes Minimum und die Valenzbandunterkante einer weiteren inneren Schicht ein absolutes Maximum auf¬ weist, und daß zumindest die beiden inneren Schichten, die das absolute Minimum und das absolute Maximum auf¬ weisen, quantisierte Löcher- bzw. Elektronenzustände aufweisen.

Das absolute Minimum und das absolute Maximum kann auch dann in den beiden genannten inneren Schichten vorhan¬ den sein , wenn keine weiteren Dotierstoffe in die Schichten oder Grenzschichten eingebaut sind. Ferner ist es natürlich auch möglich die verwendeten Schichten zu dotieren oder eine Spannung anzulegen, ohne daß die genannten Extremwerte verschwinden.

Sofern die Schichten, die die Extremwerte aufweisen, sehr dünn sind, können lokalisierte Elektronen- bzw. Löcherzustände existieren. Falls die genannten Schich¬ ten ferner nur wenig voneinander beabstandet sind, überlappen deren Eigenfunktionen. Vorteilhafterweise überlappen die Eigenfunktionen so weit, daß eine strahlende Rekombination von Elektronen und Löchern aus den jeweiligen Schichten ermöglicht wird. Ein typischer Abstandswert zwischen den Schichten, bis zu dem eine strahlende Rekombination stattfindet liegt bei lnm.

Für einen effizienten Laser mit wenig oder nur einer Mode ist es notwendig, daß der Rekombinationsprozeß zwischen den Löchern und Elektronen, deren Eigenfunk¬ tionen überlappen, der dominante strahlende Rekombi¬ nationsprozeß in der Schichtstruktur ist.

Zur Erhöhung der Wellenlänge des emittierten oder ab¬ sorbierten Lichts kann es sinnvoll sein, zwischen den beiden inneren Schichten, die das Valenzbandoberkanten¬ maximum und das Leitungsbandunterkantenminimum auf¬ weisen, eine weitere Schicht einzubringen ist. Diese weitere Schicht kann auch zur Spannungskompensation dienen und/oder einen graduellen Übergang zwischen den umliegenden Schichten bilden.

Zur Verwendung von Quantenschichtstrukturen in tech¬ nisch relevanten Bauteilen, bei denen typischerweise GaAs- oder InP-Substräte verwendet werden, sollte zu¬ mindest eine Schicht mindestens teilweise pseudomorph oder gitterangepaßt sein. Bevorzugterweise werden mehrere Schichten gitterangepaßt, um die Quantenaus¬ beute zu erhöhen und die Degradation zu verringern. Allerdings können auch Versetzungen gewünscht sein, wie das Beispiel der blauen Leuchtdiode auf Galliumnitrid¬ basis zeigt, bei der bei einer Versetzungsdichte von ca. 10 ¹⁰ cm ² eine sehr hohe Quantenausbeute erzielt wird.

Sofern die aufeinanderfolgenden Schichten der Quanten¬ schichtstruktur zu unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen, so kann es bei Verwendung von dickeren Schichten notwendig sein, zwischen aufeinanderfolgenden Schichten spannungskompensierende Schichten einzu¬ bringen. Zur Gitteranpassung und Spannungskompensation haben sich phosphorhaltige Schichten, insbesondere GaAs _x Pι- _x mit x zwischen 0 und 1 als vorteilhaft erwie¬ sen. Es ist natürlich auch möglich spannungskompen- sierende Schichten aus tertiären oder quartenären Ver¬ bindungen aus Gallium, Indium, Arsen und Phosphor zu verwenden.

Um bessere Wachstumsbedindungen oder bestimmte aniso¬ trope physikalische Eigenschaften der Quantenschicht¬ strukturen zu erreichen, können diese unter Zugspannung hergestellt werden.

Das Material der Schichten der Quantenschichtstruktur ist natürlich nicht auf III-V-Verbindungen beschränkt. Sie können mindestens zwei verschiedenen II-VI-Verbin-

dungen und/oder IV-VI-Verbindungen und/oder III-V- Verbindungen und/oder Gruppe IV-Verbindungen aufweisen.

Die verwendeten Halbleiterschichten können Verbindungen aus mindestens zwei oder drei der folgenden Elemente AI, Ga, In, P, As und Sb aufweisen. Damit wird eine für die jeweiligen Anwendungsfälle optimale Anpassung der Bandlücken und relativen Positionen der Valenzbandober¬ kante und der Leitungsbandunterkante erreicht. Die Option der Dotierung der verwendeten Halbleiter ermög¬ licht zum einen eine Art "Bandstruktur-Engineering" und zum anderen die Einstellung der gewünschten Leitfähig¬ keit der verwendeten Materialien.

Sofern die erfindungsgemäße Quantenschichtstruktur in eien Laser eingesetzt werden soll, empfiehlt es sich, wenn mindestens eine Quantenschicht in eine Wellenlei¬ terstruktur aus II-IV-, III-V-, IV-VI- oder Gruppe IV- Halbleitermaterial oder Kombinationen dieser Halblei¬ termaterialien eingebettet ist bzw. sind.

Erfindungsgemäß werden die Schichtfolgen der Quanten- wellstruktur derart gewählt, daß sowohl Typ-I-Hetero- übergänge als auch Typ-II-HeteroÜbergänge möglich sind.

Bei einer Schichtfolge, die einen Typ-II HeteroÜbergang darstellt, ist es sinnvoll, die Injektionsrichtung von Elektronen und Defektelektronen bzw. Löchern mit der Barrierenlage abzustimmen. Dieses ist z.B. bei Halb¬ leiterlasern sinnvoll, da so der Schwellenstrom mini¬ miert wird. Es ist allerdings auch möglich, daß die verwendeten Materialien eine derart geringe Barriere bei einem Typ-II-HeteroÜbergang bilden, daß es für die Funktionsweise eines Bauelements unbeachtlich ist.

welche Injektionsrichtung die Elektronen bzw. Defekt¬ elektronen haben.

Sollte bei einem Typ-II-HeteroÜbergang die Barriere recht groß sein, so gibt es eine weitere Möglichkeit, die möglicherweise entstandene Barriere zu umgehen. Dazu wird der Wellenleiter unsymmetrisch ausgeführt.

Es ist außerdem möglich, die Barriere in der Höhe abzu¬ bauen, in dem bei Verwendung von Galliumarsenidsub- straten z.B. Aluminium zugeführt wird. Mit Erhöhung des Aluminiumgehaltes in Al _y Gaι_ _y As wird die Höhe der Bar¬ riere verringert. Allerdings hat sich auch herausge¬ stellt, daß sich die optische Qualität des Wellenlei¬ ters durch Erhöhung des Aluminiumgehaltes verringert. Deswegen erscheint ein Aluminiumgehalt von ungefährt 10% am geeignetsten.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs- beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla¬ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er¬ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 Banddiagramm eines konventionellen AlGaAs/GaAs- Quantenbrunnenlasers mit InGaAs-Quantenbrunnen.

Fig. 2 Vergrößerter Ausschnitt (Sl; S2,S3; S4) aus

Fig. 1 mit vereinfachtem Energietermschema (E', E''), höhere Energiezustände sind nicht ge-

zeigt, Existenz von leichten und schweren De¬ fektelektronen ist nicht berücksichtigt.

Fig. 3 Lage der Leitungs- und Valenzbandkanten (dick gezeichnete Kurven) und der niedrigsten Elek¬ tronen- und Defektelektronenenergie (dünn ge¬ zeichnete Kurven) in pseudomorphen, kritisch dicken Ga _x Ini_ _x As-Quantenbrunnen als Funktion des Kompositionsfaktors "x", die Pfeile 1 und 2 zeigen den Bandabstand und Rekombinationsener- gie im Quantenbrunnen für einen Brunnen mit 35% In-Gehalt, Fixpunkte für x=l sind Bandkanten¬ energien der rechts und links vom Brunnen lie¬ genden GaAs-Schichten.

Fig. 4 a) Halbleiterschichtfolge einer erfindungsge¬

mäßen Quantenschichtstruktur mit Schichten Sl, S2, S3 und S4, mit den Schichtdicken dl, d2, d3, d4 und den Energielücken El, E2, E3 und E4. b) Das zu a) gehörende vereinfachte Banddiagramm. c) Betrag der Eigenfunktionen der Löcher (Φh ) und Elektronen (Φ _θ ) •

Fig. 5 Quantenschichtstruktur, bei der im Verhältnis zu Figur 4 zwischen den Schichten S2 und S3 eine Schicht S10 eingefügt worden ist, die eine graduellen Übergang von GaAsSb zu GalnAs ermög¬ licht.

Fig. 6 Quantenschichtstruktur entsprechend Figur 5 bei der anstelle des graduellen Übergangs eine

GalnP-Schicht z.B. zur Spannungskompensation verwendet wird.

Fig. 7 AusSchnittsvergrößerung aus einem Banddiagramm eines zweischichtigen AlGaAs/GaAs-Quantenbrun¬ nenlasers aus GaAsSb und GalnAs mit "Typ-I"- Heteroübergang zwischen GaAs und GaAsSb. Im Text benutzte Bezeichnungen für Energieniveaus sind eingezeichnet

Fig.8 Wie Fig. 7 lediglich mit "Typ-II"-HeteroÜber¬ gang zwischen GaAs und GaAsSb.

Fig.9 Schematische Darstellung der Banddiagramme von zwei Laserstrukturen mit "Typ-II"-HeteroÜber¬ gängen bei starker Injektion, a) oberes Bild mit "falsch gepolter" Barrierenlage, b) unteres Bild mit "richtig gepolter" Barrierenlage.

Fig.10 Schematische Darstellung des Banddiagrammes eines Lasers mit unsymmetrischem Wellenleiter, gestrichelte Linie deutet Bandverlauf bei symmetrischem Wellenleiter an.,

Fig.11 Erweiterung von Fig. 3 mit den für GaAs- und

InP-Substrat passenden Kompositionsfeidern, die Zickzacklinien deuten an, daß die Kurven nicht stetig sind, im Bereich 4 ist auf GaAs und im Bereich 5 ist auf InP angepaßt.

Darstellung von Ausführungsbeispielen

In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder ent¬ sprechende Teile mit den selben Bezugszeichen bezeich¬ net, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet

wird, und lediglich die Abweichungen der in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden:

Fig. 1 zeigt ein Banddiagramm eines konventionellen AlGaAs/GaAs-Quantenbrunnenlasers mit InGaAs-Quanten¬ brunnen. Dabei ist das vereinfachte (feldfreier Fall) Banddiagramm gezeigt. S5 und S6 sind die optischen Confinement-Schichten aus AlGaAs, die Schichten Sl und S4 aus GaAs formen zusammen mit der eingeschlossenen aktiven Schicht S2 bzw. S3 aus GalnAs den optischen Wellenleiter.

Das Banddiagramm dieser Quantenschichtstruktur zeigt eine "direkte" Bandlücke. Da hier nicht im herkömm¬ lichen Sinn von direkt gesprochen werden kann, da es sich bei der Darstellung in Fig. 1 nicht um einen Im¬ pulsraum handelt sondern um einen Ortsraum, ist direkt in Anführungszeichen gesetzt.

Bevor näher auf die Figuren eingegangen wird, sollen einige verwendete Begriffe erläutert werden:

Die Bandlücke E _g ist die Energiedifferenz zwischen der Leitungsbandunterkante CBM bzw. E _c und der Valenzband¬ oberkante VBM bzw. E _v • Als "direkte" Bandlücke wird die Bandlücke verstanden, bei der räumlich die Leitungs¬ bandunterkante in den Figuren direkt über der Valenz- bandoberkante liegt. Als "indirekte" Bandlücke wird die Bandlücke verstanden, bei der in den Figuren CBM nicht direkt über VBM liegt.

In Fig. 1 wird als Substrat (S5, S6) z.B. GaAs benutzt. Die Quantenschicht bzw. der Quantenbrunnen (S2, S3)

kann z.B. Gallivmiarsenidantimonid oder Galliu indiumar- senid sein. Zur Vereinfachung wurde eine Darstellungs¬ weise gewählt, bei der keine Bandverbiegung herrscht. Da dieser Fall in der Praxis kaum vorkommt, sind die Figuren nur als Beispiele anzusehen, die sich nicht auf das Flachbandverhalten beschränken.

Die fundamentale Bandlücke von GaAs beträgt bei 0 K 1,519 eV. Die fundamentale Bandlücke von Galliumarse- nidantimonid bzw. Galliumindiumarsenid ist kleiner als die von GaAs. GaAs-Schichten können also als Barrieren¬ schichten für Elektronen bzw. Löcher fungieren, wenn das Material der in GaAs eingeschlossenen Quanten¬ schicht z.B GaAsSb oder GalnAs, also ein Material mit einer kleineren Bandlücke ist.

Durch geschicktes Aufbringen des Materials der Quanten¬ schichtjen) auf GaAs durch z.B. Molekularstrahlepitaxie (MBE) ist es möglich, die Quantenschicht(en) epitak¬ tisch aufzuwachsen. Aufgrund der verschiedenen Gitter¬ konstanten entstehen bei diesem Prozeß relativ hohe Druckspannungen in der aufgewachsenen Quantenschicht¬ schicht. Ab einer gewissen Schichtdicke würden Bindung¬ en in der Quantenschichtschicht aufbrechen und es ent¬ stünde eine polykristalline Schicht (siehe z.B. J.W. Matthews und A.E. Belakeslee, J. Cryst, Growth, 27, 1974, 118). Um diesen Effekt zu verhindern, ist es möglich, die Quantenschichtstruktur unter Zugspannung aufwachsen zu lassen. Allein durch diese Maßnahme kön¬ nen theoretisch Quantenschichtstrukturen mit einer Emissions- bzw. Absorptionswellenlänge von 1,3 μm bzw. 1,55 μm erreicht werden.

In Fig. 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt aus Fig. 1 mit vereinfachtem Energietermschema (E', E'') darge¬ stellt. Die Schichten Sl, S2 bzw. S3 und S4 sind zu erkennen. Höhere Energiezustände als die dargestellten sind nicht gezeigt.

Pfeil 1 markiert den Bandabstand im Quantenbrunnen. Dieser Bandabstand ist nur vom Indium-Gehalt der GalnAs-Quantenschicht abhängig. Ist die Dicke D dieser Schicht größer als einige lOnm, dann wird die Emis¬ sionswellenlänge des Lasers ziemlich genau mit diesem Bandabstand (leV =l,24μm) korrespondieren. Liegt die Dicke deutlich unter lOμ , dann verkürzt sich die Emis¬ sionswellenlänge mit abnehmender Dicke D. Ursache ist der mit abnehmender Dicke D immer stärker in Erschein¬ ung tretende sogenannte Quantisierungseffekt (quantum size effect) . Die niedrigste Elektronenenergie im Quantenbrunnen ist jetzt nicht mehr die Bandkantenener¬ gie E _c (GalnAs) sondern die etwas höhere Energie E'.

Für die Defektelektronen im Valenzband des Quantenbrun¬ nens ist der Effekt wegen der größeren Masse der De¬ fektelektronen schwächer. Ihre niedrigste Energie E'' ist darum nur wenig größer als E _v (GalnAs). Der für die Emissionswellenlänge des Lasers maßgebende Übergang findet zwischen E' und E'' statt (Pfeil 2). Nur für dicke Quantenbrunnen und damit vernachlässigbarem Quantisierungseffekt fallen die Energien E' und E'' mit den Bandkantenenergien Ec (GalnAs) und Ev(GalnAs) zu¬ sammen. Die tatsächlichen Verhältnisse im Valenzband (leichte u. schwere Defektelektronen etc.) sind etwas komplizierter als hier dargestellt, für die hier zu diskutierenden Dinge kann man diese Feinheiten aber übergehen. Insgesamt führt der Quantisierungseffekt

dazu, daß die Emissionswellenlänge mit abnehmender Dicke D und damit wachsendem Abstand E'-E'' immer wei¬ ter abnimmt.

Strebt man eine möglichst große Emissionswellenlänge an, dann wird man also, erstens den Quantisierungsef¬ fekt durch Wahl einer großen Dicke D ausschalten und zweitens für den Quantenbrunnen ein Ga _x Inι_ _x As mit hohem In-Gehalt (kleiner "x"-Wert) und damit ent¬ sprechend kleinem Bandabstand (kleine Differenz E _c (GalnAs)-E _v (GalnAs) ) auswählen.

Ga _x Inι- _x As und GaAs haben kubische Gitterstruktur, aber für x<l nicht die gleiche Gitterkonstante. Die Gitter¬ konstante von Ga _x Inι_ _x As wächst mit abnehmendem "x"- Wert linear von 0,56nm (Gai In ₀ As=GaAs) auf 0,66nm (Gao IniAs=InAs) an. Versucht man GalnAs auf GaAs epi¬ taktisch aufzuwachsen, so stellt man fest, daß dieses nur bis zu einer gewissen Dicke für ein gewisses Ga-In- Gemisches der GalnAs-Schichten möglich ist.

Deponiert man z.B. in einer Epitaxieanlage auf GaAs- Substraten z.B. Gao . β Ino . ₂ As-Schichten (x=0.8 bzw. 20% Indium-Gehalt) z.B. 1,10 und lOOnm Dicke, dann findet man, daß die 1 und lOnm dicken Schichten eine perfekte Kristallqualität aufweisen. Röntgentechnische Analyse¬ methoden zeigen, daß das GalnAs in Ebenen parallel zur Substratebene genau die Periodizität des GaAs-Kristal- les übernommen hat, aber nicht mehr perfekt kubisch ist. Senkrecht zur Substratoberfläche sind die Elemen¬ tarzellen des GalnAs-Gitters etwas gestreckt. Die Ele¬ mentarzelle ist nicht mehr kubisch, sondern tetragonal. GaAs-Substrat (kubisch) und GalnAs-Schicht (tetragonal) sind nicht mehr isomorph aber kristallographisch auch

nicht total verschieden voneinander. In bestimmten Ebenen haben sie gleiche Periodizität, man sagt darum, sie seien pseudomorph. Die tetragonale Verzerrung ent¬ steht durch biaxiale mechanische Deformation der unver¬ zerrten kubischen Elementarzelle des GalnAs.

In den pseudomorphen Schichten sind darum erhebliche, mit wachsender Schichtdicke ebenfalls wachsende Defor¬ mationsenergien gespeichert und das führt dazu, daß bei Überschreiten einer sogenannten kritischen Schichtdicke das wohlgeordnete Wachstum zusammenbricht. Das GalnAs erträgt die ihm vom Substrat aufgezwungene Gitter¬ struktur nicht mehr und wandelt sich unter Bildung sogenannter Fehlanpassungsversetzungen (misfit disloca- tions) in seine natürliche kubische Gestalt um. Die optischen und elektrischen Eigenschaften dieser von Versetzungen durchsetzten Schichten sind schlecht. Gute Laser sind aus diesem Material nicht mehr herstellbar. Die kritische Schichtdicke, bei der die pseudomorphe Struktur zusammenbricht, hängt nur vom In-Gehalt ab (siehe J. W. Matthew und A. E. Blakeslee, J. Cryst. Growth, 27 (1974), 118 - 125) und alle in den letzten 10 Jahren unternommenen Versuche, durch züchtungstech¬ nische Tricks den Kollaps zu unterdrücken, sind ge¬ scheitert. Matthew und Blakeslee haben vor 20 Jahren dazu quantitativ einen Zusammenhang zwischen kritischer Schichtdicke und Gitterfehlpassung formuliert.

Die aus dieser Regel resultierenden Konsequenzen für die Konstruktion von Laserstrukturen sind sehr ein¬ schneidend. Steigert man den In-Gehalt im Quantenbrun¬ nen, was zu längeren Emissionswellenlängen führt, dann muß man gleichzeitig die Schichtdicke des Quantenbrun¬ nens wegen abnehmender kritischer Schichtdicke immer

weiter zurücknehmen. Mit abnehmender Schichtdicke schießen aber die Energiezustände E' und E' ' in die Höhe, was in die falsche Richtung geht und zu kürzeren Emissionswellenlängen schiebt. Insgesamt stellt sich heraus, daß mit wachsendem In-Gehalt und Ausreizen der Schichtdicke bei ca. 35% In-Gehalt eine maximale Emis¬ sionswellenlänge von l,lμm erreicht wird. Größere In¬ Gehalte führen wegen der rapide abnehmenden kritischen Schichtdicke zu einem überhandnehmendem Quantisierungs- effekt. Die Emissionswellenlängen nehmen dann wieder ab.

In Fig. 3 sind diese Zusammenhänge graphisch darge¬ stellt. Die dick ausgezogenen Linien zeigen den Verlauf der Bandkantenenergien und die dünnen Linien zeigen die Energien E' und E'' für Quantenbrunnen mit maximaler, also kritischer Schichtdicke.

Eine Lösung dieses Problems ist es, spannungskompen- sierenden Schichten in die Quantenschichtstrukturen einzubauen. Damit werden die beim Aufwachsen von Schichten entstehenden Spannungen verringert und es ist möglich dickere Schichten epitaktisch aufwachsen zu lassen. Derartige spannungskompensierende Schichten, die aus den verschiedensten Materialien bestehen können, lassen sich je nach Anwendungsfall an unter¬ schiedlichen Stellen in der Schichtstruktur einbringen.

Wenn die verwendeten Materialien nicht dotiert worden sind, liegt die Fermi-Energie in der Mitte der Band¬ lücke. Es ist natürlich auch möglich, daß für die je¬ weils verschiedenen Materialien auch unterschiedliche Dotierungen benutzt werden und sich dadurch die relati-

ven Lagen der Valenzbandoberkante bzw. der Leitungs¬ bandunterkante relativ zueinander verschieben.

In Fig. 4a ist eine erfindungsgemäße Quantenschicht¬ struktur schematisch dargestellt. Die Quantenschicht¬ struktur kann auf einem Substrat aus Galliumarsenid oder Indiumphosphit epitaktisch abgeschieden sein. Das Substrat bestimmt dabei den Spektralbereich für den die Quantenschichtstruktur geeignet ist.

Die Quantenschichtstruktur besteht aus vier Halbleiter¬ schichten Sl, S2, S3 und S4 mit den Dicken dl, d2, d3 und d4. Die Schichten Sl und S4 haben die Bandabstände El und E4. Diese Schichten werden im folgenden Barrie¬ renschichten genannt. Zwischen den Barrierenschichten (Sl, S4) sind Halbleiterschichten S2 und S3 mit den Bandabständen E2 und E3 eingebettet.

Fig. 4b zeigt beispielsweise für eine Schichtfolge Sl- S2-S3-S4 den Verlauf der Leitungs- und Valenzbandkan¬ tenenergien E _c und E _v über eine senkrecht auf der Schichtfolge stehenden Ortskoordinate z. Sl kann dabei aus GaAs, S2 aus GaAs _x Sbι- _x , S3 aus Ga _y Inι- _y As und S4 aus Ga ₀ .5 Ino ,5P oder Al ₀ , 2Ga ₀ , βAs. Bei einer derartigen Materialkombination ist der links gestrichelt einge¬ kreiste HeteroÜbergang von der Schicht Sl zur Schicht S2 ein Typ-II-HeteroÜbergang und der rechts einge¬ kreiste Übergang von S3 zu S4 vom Typ-I.

Bei den verwendeten Materialien ist der Bandabstand E4 der Schicht S4 etwas größer als der der Schicht Sl. Sofern als Schicht S4 Galliumarsenid verwendet wird, wären die Bandlücken E4 und El gleich groß.

Wesentlich für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist die Wahl der Materialien für die Schichten S2 und S3 und der aus dieser Wahl resultierende Verlauf der Bandkan¬ ten im Zentralbereich der Quantenschichtstruktur.

Die Schicht S3 weist im Bereich des Schichtstapels ein absolutes Minimum der Leitungsbandunterkante auf und die Schicht S2 weist ebenfalls im Bereich des Schicht¬ stapels ein absolutes Maximum der Valenzbandoberkante auf. Die quantisierten Elektronen und Lochzustände, deren Energie am nächsten zu VBM bzw. CBM sind, sind durch E _β und E _h in der Fig. 4b dargestellt.

Wesentlich für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Lasers ist, daß der Betrag der Eigenfunktionen dieser lokalisierten Elektronen und Löcherzustände derart überlappt, daß eine strahlende Rekombination dieser Elektronen mit diesen Löchern möglich ist. Siehe dazu Figur 4c. Dieser Überlapp existiert auch schon ohne Anlegen einer äußeren Spannung. Der Vorteil dabei ist, daß ein großer Überlapp der Eigenfunktionen der Elek¬ tronen- und Löcherzustände auch ohne angelegte Span¬ nungen, die zu einer Bandverbiegung führen, wodurch bei weniger effektiven Bauelementen es erst zu einer Quan¬ tisierung von Elektronen und Lochzuständen stattfindet, auch schon bei sehr geringer Strominjektion z.B. ein Laser der aus einer derartigen Schichtfolge hergestellt worden ist mit hohem Wirkungsgrad anfängt zu lasern. Der wesentliche Vorteil einer derartigen Quanten¬ schichtstruktur, nämlich der kleine Schwellstrom, kommt nur dann zustande, wenn schon unterhalb der Laser¬ schwelle Elektronen und Löcher in Quantentrögen einge¬ sperrt sind.

In Fig. 5 ist eine Modifikation der in Fig. 4 gezeigten Quantenschichtstruktur dargestellt. Zwischen den Schichten S2 und S3 ist eine Schicht SlO eingebaut, die eine quaternäre Schicht wie z.B. Ga _x Ini. _x As _y Sbi. _y sein kann, die mit stetig variierenden x und y stetig von der chemischen Komposition der Schicht S2 zur che¬ mischen Komposition der Schicht S3 überleitet. Bei der Schichtstrukturherstellung wird häufig ein derartiger gradueller Übergang ungewollt entstehen, da bisher nur bei wenigen Schichten abrupte d.h. atomare Übergänge möglich sind. Wenn diese Zwischenschicht SlO allerdings dünn ist, d.h. bis ca. 1 nm, so daß die Eigenfunktionen der Elektronen und Löcher immer noch überlappen können, stört diese Zwischenschicht nur unwesentlich die Funk¬ tion der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 6 ist als Zwischenschicht eine GalnP-Schicht gezielt eingebaut worden, die etwaige elastische Ver¬ spannungen zwischen den Schichten S2 und S3 kompensie¬ ren kann. Wie Photolumineszenzdaten an einer erfin¬ dungsgemäßen Quantenschichtstruktur belegen, findet bei Schichten von ca. 1 nm zwischen E _e und Eh immer noch eine strahlende Rekombination statt.

Spannungskompensierende Schichten können natürlich auch z.B. zwischen den Schichten Sl und S2 sowie zwischen den Schichten S3 und S4 eingebracht werden.

Vorzugsweise werden Halbleitermaterialien in Quanten- wellstrukturen eingesetzt, die chemisch so zusammenge¬ setzt sind, daß eine Teilmenge dieser Halbleiterschich¬ ten biaxial gestreckt und eine andere Teilmenge biaxial gestaucht ist. Diese Halbleitermaterialien werden ent¬ weder vollständig oder bereichsweise pseudomorph in der

Quantenschichtstruktur eingesetzt. Dabei ist es selbst¬ verständlich möglich, daß in der Quantenschicht ein¬ schließenden Wellenleiterstruktur Schichten eingebaut sind, die biaxial gestreckt oder gestaucht sind.

Eine Kompensation der mechanischen Spannungen mit span- nungskompensierenden Schichten ist insbesondere dann notwendig, wenn mehrere mechanisch verspannte Quanten¬ schichtstrukturen zu einer aktiven Schicht vereinigt werden sollen. Um dies zu ermöglichen, wird in die Barrierenstruktur zur Spannungskompensation z.B. Phos¬ phor eingebaut. D.h., daß als Spannungskompensierende Schichten z.B. Galliumarsenidphosphit-Schichten einge¬ setzt werden können. Weiterhin sind als spannungskom- pensierende Schichten auch quaternäre Verbindungen aus den Materialien Gallium, Indium, Arsen, Antimon und Phosphor denkbar.

Die mehrschichtigen Quantenschichtstrukturen können durch Verwendung von Zugspannungen zur Kompensation der Druckspannungen, die durch die verschiedenen Gitterpa¬ rameter der verschiedenen Schichten entstehen, herge¬ stellt werden. Typischerweise werden Herstellverfahren wie z.B. die Molekularstrahlepitaxie (MBE), die Chemi¬ cal Vapor Deposition (CVD), die Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) und die Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) und andere verwendet.

In den folgenden Betrachtungen wird der Quantisierungs- effekt unterschlagen, um die Abbildungen nicht zu über¬ laden.

Die Fig. 7 zeigt das Banddiagramm eines Quantenschicht¬ lasers mit zweischichtigem Quantenbrunnen

(GaAsSb/GalnAs) . Hier ist angenommen, daß der im Quan¬ tenbrunnen liegende HeteroÜbergang (GaAsSb/GalnAs) und der am linken Rand des Quantenbrunnens liegende Hetero¬ Übergang (GaAsSb) jeweils vom "Typ-I" ist.

Die Fig. 8 zeigt eine Laserstruktur mit der gleichen Schichtfolge wie in Fig. 7 und "Typ-II"-HeteroÜbergän¬ gen im Inneren und am linken Rand zwischen GaAs und GaAsSb.

Im Falle eines "Typ-I"-HeteroÜberganges am Rand des Quantenbrunnens ist die Leitungsbandkantenenergie E _c (GaAsSb) im GaAsSb kleiner als die Leitungsbandkanten¬ energie E _c (GaAs) des angrenzenden GaAs.

Ist E _c (GaAsSb) größer als E _c (GaAs), dann liegt ein "Typ-II"-HeteroÜbergang am Rand vor. Der Quantenbrunnen für die Elektronen ist jetzt schmaler und im Zuge der Leitungsbandkante bildet sich jetzt eine Elektronen¬ barriere aus.

Die inneren HeteroÜbergänge sind in Übereinstimmung mit allen verfügbaren Daten in Fig. 7 und 8 als "Typ-I" gezeichnet; die Erfindung ist allerdings nicht auf "Typ-I"- HeteroÜbergänge beschränkt, sondern es sind wie später gezeigt werden wird auch "Typ-II"-Hetero¬ Übergänge verwendbar.

Bei vernachlässigtem Quantisierungseffekt (breite Quan¬ tenbrunnen) korrespondiert die RekombinationsStrahlung für den Übergang mit den eingezeichneten Übergangsener¬ gien (GalnAs)-E _v (GaAsSb) am inneren HeteroÜber¬ gang. Man sieht, daß erfindungsgemäß E _t in beiden Fäl-

len kleiner ist als die Übergangsenergien in ein¬ schichtigen Quantenbrunnen aus GalnAs oder GaAsSb.

Wo der Unterschied zwischen "Typ-I" und"Typ-II" am HeteroÜbergang (GaAs/GaAsSb) in Erscheinung tritt, ist in Fig. 9 skizziert. Für den Fall des "Typ-II"-Hetero¬ Überganges ist im oberen Bild (Fig. 9a) angenommen, daß die Elektronen von links und die Defektelektronen von rechts in die aktive Schicht injiziert werden. Man sieht, daß die Barriere die Injektion der Elektronen in den hier hinter der Barriere liegenden Quantenbrunnen behindert. Bei nicht zu hohen Barrieren (<100meV) wird der Laser zwar noch funktionieren, der Schwellstrom wäre aber ungünstig hoch.

Erfindungsgemäß ist dieses Manko aber zu beheben. Man muß lediglich die Barrierenlage und die Injektions¬ richtungen aufeinander abstimmen (Fig. 9b) . Das hier diskutierte Barrierenproblem tritt natürlich nur beim "Typ-II"-HeteroÜbergang in Erscheinung.

Für den GaAs/GaAsSb-Heteroübergang ist jetzt noch nicht zweifelsfrei geklärt, ob "Typ-I" oder "Typ-II" vor¬ liegt. Hier ist wahrscheinlich der Energieunterschied Ec(GaAs)-Ec(GaAsSb) absolut so klein, daß das Vorzeich¬ en nicht eindeutig bestimmt werden kann. Präparations- technische Details können hier auch noch eine Rolle spielen. Völlig eindeutig sind die Verhältnisse bei den weiter unten diskutierten Laserstrukturen für den mitt¬ leren Infrarotbereich auf InP-Substrat. Hier kann nach der bisher veröffentlichten Literatur in allen interes¬ santen Fällen davon ausgegangen werden, daß "Typ-II"- HeteroÜbergänge mit sehr großen Barrieren vorliegen.

Neben dem oben erwähnten Trick gibt es noch eine zwei¬ te, das Barrierenproblem zu umgehen. Diese Variante ist in Figur 10 gezeigt. Hier ist z.B. der Wellenleiter unsymmetrisch ausgeführt. Die links von der Barriere liegende GaAs-Schicht kann durch eine Al _y Gaι. _y As- Schicht ersetzt werden. In dieser Schicht hebt sich mit steigendem Al-Gehalt die Leitungsbandkantenenergie und bei einem bestimmten Al-Gehalt kommt es zum Wechsel von "Typ-II" nach "Typ-I". Allerdings hat AlGaAs eine weni¬ ger gute optische Qualität, weswegen es in Wellenlei¬ tern ungerne eingebaut wird. Außerdem müßte der Al- Gehalt in der links liegenden optischen Confinement- Schicht auch gesteigert werden. Es ist zu bemerken, daß ein Anteil von 10% AI sich allerdings als tolerierbar herausgestellt hat.

Andere Ausführungsbeispiele sind in der Tabelle 1 ge¬ zeigt. In diesen Beispielen sind die AlGaAs- und GaAs- Schichten durch auf GaAs gitterangepaßte AlGalnP-und GalnP-Schichten ganz oder teilweise ersetzt. Die Kombi¬ nation mit zweischichtigen Quantenbrunnen dieser Sub- stituenten ist sinnvoll.

Die oben diskutierten Details beziehen sich auf Laser¬ strukturen, die auf GaAs-Substraten abgeschieden werden und damit auf die Herstellung eines l,3μm-Lasers bzw. I,55μm-Lasers zielen. Die oben angeführten Ausführungs¬ beispiele sind allerdings nicht auf diese Anwendungen beschränkt, es können vielmehr auch andere Bauelemente als auch andere Substrate, wie z.B. InP verwendet wer¬ den.

Mit den vorgestellten zweischichtigen Quantenschicht¬ strukturen aus GaAsSb/GalnAs ist es möglich, auf InP-

Substraten Laser mit Wellenlängen im Bereich von ca. 2 bis 5μm herzustellen. Dieses ist in Figur 11 darge¬ stellt. In dieser Abbildung sind, wie in Figur 3, die Bandkantenenergien von pseudomorphen Ga _x Ini_ _x As-und GaAs _x Sbi. _x -Schichten dargestellt. Die unabhängige Vari¬ able ist der Kompositionsfaktor "X". Die rechts im Diagramm liegenden Kurvenäste beziehen sich auf Struk¬ turen, die auf GaAs gitterangepaßt sind (Fig. 3). Fix¬ punkte sind hier die Energieniveaus E _c (GaAs) und E _v (GaAs) .

Der leicht grau schraffierte Bereich (4) ist der für den l,3μm-Laser interessante Legierungsbereich. Der Pfeil (3) zeigt noch einmal was man ohne Berücksichti¬ gung des Quantisierungseffektes gewinnt, wenn man einen einfachen Quantenbrunnen aus GalnAs durch einen zwei¬ schichtigen Brunnen aus GaAsSb/GalnAs ersetzt. Im Be¬ reich der dunkleren grauen Schraffur (5) sind die Band¬ kantenenergien an InP angepaßt. Die relative Zuordnung der Leitungsbandkanten für GalnAs, GaAsSb, AllnP und InP sind für auf InP gitterangepaßte Strukturen so genau bekannt, daß man mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit davon ausgehen kann, daß der innere und der am Rand liegende HeteroÜbergang vom "Typ-II" sind. Die von Y. Sugiyama et al 1989 veröffentlichten Daten deuten darauf hin, daß erfindungsgemäß mit einem zweischichtigen, gitterangepaßten Quantenbrunnen ein Laser mit fast 5μm Emissionswellenlänge herstellbar ist. Mit zweischichtigen, pseudomorphen Quantenbrunnen ist es möglich noch etwas langwelligere Bauelemente herzustellen. Kürzere Wellenlängen bis herunter zu 2μm sind ohne Schwierigkeiten durch Ausnutzung des Quanti¬ sierungseffektes in entsprechend dünnen, gitterangepa߬ ten oder pseudomorphen Quantenbrunnen erreichbar.

Einige Ausführungsbeispiele sind in tabellarischer Form in Tabelle 1 aufgelistet. Die Schichtbezeichnungen Sl bis S6 in den Spaltenköpfen sind sinngemäß aus Fig. 5 übernommen. S5 und S6 sind die optischen Confinement- Schichten, Sl und S4 bilden den Wellenleiter und S2 bzw. S3 ist die zweischichtige Quantenbrunnenschicht (ZQW). Die Kompositionsfaktoren sind in der Tabelle aus Platzgründen weggelassen. Die Zusätze "i" und "p" hin¬ ter den Schichtbezeichnungen (AlGaAs, GalnP etc.) zei¬ gen an, daß die Schichten entweder isomorph oder pseu¬ domorph sind. Referenz ist das ganz rechts in der Ta¬ belle stehende Substrat.

Der ZQW besteht in den in Tabelle 1 angeführten Aus¬ führungsbeispielen aus GaAsSb und GalnAs. Die Dicken der beiden Teilschichten sind nicht notwendigerweise gleich.

Auf die Möglichkeit der internen Kompensation der mech¬ anischen Spannungen in pseudomorphen ZQWs sollte hinge¬ wiesen werden. Eine Schicht würde in diesem Fall unter Zugspannungen und die andere unter Druckspannungen gesetzt.

Gesteuert wird dies über das As/Sb- und Ga/In-Verhält- nis in den Teilschichten. Bei interner Spannungskompen¬ sation können die Dicken der Teilschichten bis an die jeweiligen kritischen Dicken herangeführt werden.

Interne Spannungskompensation ist nur auf InP-Substrat möglich. Auf einem GaAs-Substrat stehen die Teilschich¬ ten immer unter Druckspannung, weil die Elementarzellen von GaAsSb und GalnAs für alle Zusammensetzungen große-

re Gitterkonstanten als das GaAs-Substrat haben. Hier ist nur eine externe Spannungskompensation durch pas¬ send gewählte Nachbarschichten (z.B. galliumreiches GalnP) möglich.

Prinzipiell ist es möglich, in fast jeder konventionel¬ len Laserstruktur auf GaAs- und InP-Substrat anstelle eines einschichtigen Quantenbrunnens einen ZQW einzu¬ bauen. Die in der Tabelle aufgelisteten Strukturen decken darum auch nicht das umfangreiche Sprektrum aller Lasertypen ab.

Es wird darauf hingewiesen, daß der vorgeschlagene mindestens zweischichtige Quantenbrunnen aus GaAsSb/GalnAs mit gleichem Effekt, d.h. Verschiebung des spektralen Arbeitsbereiches zu längeren Wellen¬ längen, in allen Detektor- und Modulatorstrukturen eingebaut werden kann, in denen ein konventioneller Quantenbrunnen funktionsbestimmendes Element ist. Da- rüberhinaus bietet die Verwendung eines ZQWs noch die Möglichkeit einen photovoltaischen Detektor zu reali¬ sieren. Der unsymmetrische Aufbau des ZQWs führt näm¬ lich zwangsweise zur Ausbildung einer Dipolschicht wenn Elektron-Defektelektronlochpaare durch "räumlich indi¬ rekte Absorption" im ZQW erzeugt werden. Die Figuren 7 und 8 verdeutlichen das auch ohne zusätzliche Abbil¬ dung. Die durch Absorption gebildeten Elektronen sam¬ meln sich im rechten Teil des ZQWs in der GalnAs-Teil- schicht und die Defektelektronen im linken Teil des ZQWs in GaAsSb-Teilschicht. An symmetrischen Quanten¬ brunnen entsteht diese Dipolschicht nicht. Darum ge¬ hören Detektorstrukturen mit symmetrischen Quantenbrun¬ nen zur Klasse der Photoleiter. An diesen Strukturen wird ein schwacher photovoltaischer Effekt nur bei

herstellungsbedingten Abweichungen von der perfekten Symmetrie beobachtet .