DE3780444T2

DE3780444T2 - Quantum-well-laser mit erhoehter ladungstraegerdichte.

Info

Publication number: DE3780444T2
Application number: DE8787903787T
Authority: DE
Inventors: N Schulman; L Smirl; V Vaidyanathan
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1986-07-01
Filing date: 1987-05-21
Publication date: 1993-02-25
Anticipated expiration: 2007-05-22
Also published as: US4760579A; EP0279815A1; DE3780444D1; DK106688D0; DK106688A; EP0279815B1; JPH01500787A; WO1988000404A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterlaser, und bezieht sich insbesondere auf einen verbesserten Quantenwannen-Halbleiterlaser.
Laser sind Vorrichtungen, welche Energie von einem Typ in einen anderen Typ durch Quantenresonanzphänomene umwandeln. Typischerweise wird eine nichtkohärente Strahlung mit einem gewissen Wellenlängenbereich bzw. es werden injizierte Ladungsträger verwendet zum Pumpen von Ladungsträgern auf angeregte Energiezustände, welche anschließend abgeregt werden bzw. mit anderen Ladungsträgern kombinieren, wodurch sich die Emission von kohärenter Strahlung mit einem engen Wellenlängenbereich ergibt.
Laser sind ein wichtiges-Instrument in der Forschung und Industrie geworden, da sie äußerst intensive Strahlung mit hoher Energie liefern können, und die Energie lediglich einen engen Wellenlängenbereich aufweist. Bei vielen Vorrichtungen werden Laser aus einem oder einer Kombination dieser Gründe verwendet. Laser werden in Kommunikationssystemen, Maschinen für die Bearbeitung von Metall, medizinischen Instrumenten und elektronischen Halbleiterbauelementen verwendet, um nur einige wenige Anwendungen zu benennen.
Ein zunehmend wichtig werdender Typ von Laser stellt der Halbleiterlaser dar, dessen Betriebsweise auf der Anregung und Rekombination von Ladungsträgern in einem halbleitenden Material basiert. Derartige halbleitende Laser haben typischerweise kleine Ausdehnungen und werden vorrangig bei elektronischen Anwendungen verwendet. Eine wichtige Verbesserung des grundsätzlichen Halbleiterlasers stellt der Quantenwannen-Laser dar, bei dem eine dünne Schicht eines Halbleiterlasermaterials, die Quantenwanne, zwischen Schichten eines weiteren Halbleiters angeordnet ist, welche als Quellen für die Ladungsträger dienen, die in die Quantenwanne injiziert werden. Die Dimensionen derartiger Quantenwannen können äußerst klein sein, in der Größenordnung von etwa 10&supmin;&sup8; Meter in der Dicke. Dementsprechend sind die hauptsächlichen Anwendungen in der Optoelektronik und in wissenschaftlichen Untersuchungen zu sehen. Bei weiteren Typen von Quantenwannen-Lasern werden mehrfache alternierende Halbleiterzwischenschichten in der Quantenwanne verwendet, in einer Struktur, welche Mehrfachquantenwanne bzw. Supergitter genannt wird, wodurch die Ausgangsleistung des Lasers vergrößert wird und darüberhinaus weitere Variationen und Merkmale ermöglicht werden.
Bei einem Typ von Quantenwannenlaser von besonderem Interesse bei der Verwendung bei elektronischen Bauelementen bildet die Grundlage Galliumarsenid und dessen Legierungen. In der einfachsten Form weist dieser Laser eine Schicht aus GaAs, die Quantenwanne, zwischen zwei Schichten eines AlGaAs-Materials auf, wobei die beiden äußeren Schichten eine heteroepitaktische Beziehung mit der Quantenwanne aufweisen. Aus einer der AlGaAs-Schicht werden Elektronen in die Quantenwanne injiziert, und Löcher werden in die Quantenwanne aus der anderen AlGaAs-Schicht injiziert. Die AlGaAs-Schichten haben eine bestimmte chemische Zusammensetzung, wie beispielsweise Al0,3Ga0,7As, so daß sich eine größere Bandlücke als bei GaAs ergibt, um die Ladungsträger innerhalb der Quantenwanne einzuschließen. Falls die Ladungsträger nicht innerhalb der Quantenwanne lokalisiert sein würden, würde der Laser nicht so wirksam sein und würde bei größeren Wellenlängen arbeiten. Die Energien der Ladungsträger in den AlGaAs-Schichten werden durch die Zusammensetzung der Schicht bestimmt. Da die Bandlücke von AlGaAs mit der Aluminiumkonzentration ansteigt, ergeben die chemischen Zusammensetzungen der AlGaAs-Schichten, welche zur Aufrechterhaltung der resonanten Einschließung benötigt werden, Energien der Elektronen innerhalb der AlGaAs-Schichten, die typischerweise wesentlich größer sind als die jeweiligen Energieniveaus in der Quantenwanne.
Bei einem herkömmlichen Quantenwannen-Laser müssen die in den Quantenwannenbereich injizierten Ladungsträger zur Erreichung des Energieniveaus für das Lasern Energie verlieren. Falls die Ladungsträger die Energie nicht schnell genug verlieren können, können sie nicht innerhalb der Quantenwanne eingefangen werden und werden an die umliegende Umgebung verloren. Die Wirksamkeit und die Ausgangsleistung des Quantenwannenlasers sind dann beträchtlich niedriger, als sie möglicherweise erzielt werden könnten. Diese Begrenzung der Wirksamkeit der eingefangenen Ladungsträger ist insbesondere bedeutsam bei sehr dünnen Quantenwannen mit Dicken von 10 nm (100 Angström) oder weniger sowie für Elektronladungsträger, welche größere Streulängen als die Löcherladungsträger aufweisen. Beide Betrachtungen verringern die für den Energieverlust der Elektronen an die Laserenergie der Wanne zur Verfügung stehenden Zeit, wodurch die Einfangwirksamkeit verringert wird.
Somit besteht ein Bedürfnis nach einer Technik und einer Struktur zur Anhebung der Wirksamkeit und der Ausgangsleistung von Quantenwannen-Lasern und zur Verringerung deren Schwellenstromes, insbesondere durch Vergrößerung der Einfang- oder Sammelwirksamkeit der Ladungsträger in der Quantenwanne. Diese Technik sollte mit den grundsätzlichen Quantenwannen-Laserprozessen und -strukturen kompatibel sein. Von Vorteil wäre die Anwendbarkeit auf eine breite Variation von Quantenwannen-Laserkonstruktionen, jedoch sollte jedenfalls eine verbesserte Betriebsweise der Quantenwannen- Laser in der Klasse Galliumarsenid ermöglicht sein. Diese Bedürfnisse werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt, wobei sich darüberhinaus weitere Vorteile ergeben.
Die vorliegende Erfindung ist in einer modifizierten Struktur des Quantenwannen-Lasers verkörpert, welche eine vergrößerte Flexibilität in der Auswahl der Materialien der Konstruktion erlaubt, was eine Struktur ergibt, welche eine vergrößerte Sammelwirksamkeit von sowohl Elektronen- als auch Löcherladungsträgern unterstützt. Die Sammelwirksamkeit und der Laserausgang werden wesentlich vergrößert und der Schwellenstrom verringert, da ein wesentlich größerer Anteil der injizierten Ladungsträger das Laserniveau innerhalb der Quantenwanne erreicht. Die Struktur des Quantenwannen-Lasers ist verändert, jedoch ist diese Änderung kompatibel mit bereits bestehenden Techniken der Herstellung und Betriebsweise derartiger Laser.
Erfindungsgemäß weist der verbesserte Resonanz-Quantenwannen-Laser auf: eine Quantenwanne mit zumindest einer Schicht eines Halbleiter-Lasermaterials, wobei die Quantenwanne eine Vielzahl von Energieniveaus für Elektronen aufweist; eine Elektronen-Injektionsschicht und eine Löcher-Injektionsschicht, zwischen denen die Quantenwanne angeordnet ist, wobei die Elektronen-Injektionsschicht Elektronen an die Quantenwanne bei einem Energieniveau von etwa einem der Energieniveaus für Elektronen in der Quantenwanne liefert und die Löcher-Injektionsschicht Löcher an die Quantenwanne liefert und eine Zusammensetzung derart aufweist, daß die Bandlücke der Löcher-Injektionsschicht größer ist als diejenige der Elektronen-Injektionsschicht; und eine erste Barrierenschicht zwischen der Quantenwanne und der Elektronen-Injektionsschicht, wobei die erste Barrierenschicht eine Bandlücke aufweist, welche größer ist als diejenige der Elektronen-Injektionsschicht und ausreichend dünn ist, daß ein Tunneln der Elektronen von der Elektronen-Injektionsschicht in die Quantenwanne ermöglicht ist, wodurch die Anzahl der Elektronen in der Quantenwanne vergrößert ist, und die erste Barrierenschicht und die große Bandlücke der Löcher-Injektionsschicht zusammen die Aufenthaltswahrscheinlichkeit in dem Bereich der Quantenwanne erhöhen.
Der Quantenwannen-Laser kann desweiteren eine zweite Barrierenschicht auf der anderen Seite der Quantenwanne aufweisen. Ein derartiger Quantenwannen-Laser weist desweiteren eine zweite Barrierenschicht zwischen der Quantenwanne und der Löcher-Injektionsschicht auf, wobei die beiden Barrierenschichten und die große Bandlücke der Löcher-Injektionsschicht zusammen die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in dem Bereich der Quantenwanne erhöhen. Die beiden Barrierenschichten und die beiden Injektionsschichten können in Zusammensetzung, Dicke und Epitaxie variieren, um den Laser für eine maximale Sammelwirksamkeit der Elektronen und Löcher zu optimieren.
Dieser Typ von Struktur kann in Zusammenhang mit verschiedenen Materialien der Konstruktion von Quantenwannen- Lasern betrieben werden, einschließlich derjenigen auf der Grundlage des Galliumarsenidsystems. Normalerweise sind die Barrierenschichten kleiner als 4 nm (40 Angström) dick und weisen vorzugsweise eine Dicke von 10-20 Angström auf, um ein Tunneln von Ladungsträgern von den Injektionsschichten in die Quantenwanne zu ermöglichen. Jedoch ist die Bandlücke der Barrierenschichten ausreichend größer als die Bandlücke der Quantenwanne, so daß ein Resonanzniveau gebildet werden kann. Es wurde gefunden, daß vorzugsweise eine Zusammensetzung für die Injektionsschichten ausgewählt wird, welche ein Leitungsbandminimum und ein Valenzbandmaximum aufweist, das zwischen 0 bis ca. 0,4 Elektronen-Volt unterhalb des Laserenergieniveaus der Quantenwanne der jeweiligen Ladungsträger liegt. Die Struktur der vorliegenden Erfindung ist sowohl mit einer einfachen Quantenwanne mit einer einzelnen Schicht Schicht eines Lasermaterials, als auch mit der Mehrfach- bzw. Supergitterquantenwanne, bei der alternierende Schichten von zwei Halbleitermaterialien die Quantenwanne bilden, kompatibel.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der verbesserte Resonanz-Quantenwannen-Laser auf: eine Quantenwanne mit zumindest einer Schicht eines Halbleiter-Lasermaterials, wobei die Quantenwanne eine Vielzahl von Energieniveaus für Elektronen und eine Vielzahl von Energieniveaus für Löcher aufweist; eine Elektronen-Injektionsschicht und eine Löcher-Injektionsschicht, zwischen denen die Quantenwanne angeordnet ist, wobei die Elektronen-Injektionsschicht Elektronen an die Quantenwanne bei etwa der Energie von einem der Vielzahl von Energieniveaus für die Elektronen der Quantenwanne liefert, und die Löcher-Injektionsschicht Löcher an die Quantenwanne liefert; eine zwischen der Elektronen-Injektionsschicht und der Quantenwanne angeordnete und diese kontaktierende erste Barrierenschicht; und eine zwischen der Quantenwanne und der Löcher-Injektionsschicht angeordnete und diese kontaktierende zweite Barrierenschicht, wobei die Barrierenschichten die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in dem Bereich der Quantenwanne erhöhen, dabei aber ausreichend dünn ist, um ein Tunneln der Elektronen und Löcher in die Quantenwanne zu ermöglichen.
Selbstverständlich ist es wünschenswert, eine Struktur zur Verfügung zu stellen, welche eine verbesserte Aufenthaltswahrscheinlichkeit für beide Typen von Ladungsträgern innerhalb des Bereiches der Quantenwanne liefert, obwohl es wesentlich wichtiger ist, eine Struktur zur Verfügung zu stellen, bei der die Dichte der Elektronen in der Quantenwanne vergrößert ist. Elektronen besitzen eine größere Streulänge für den Energieverlust als Löcher, und daher besteht eine größere Wahrscheinlichkeit, daß sie eine herkömmliche Quantenwanne besetzen und verlassen, ohne am Lasereffekt beizutragen als bei den Löchern. Es wird daher der Vergrößerung der Ladungsdichte der Elektronen in der Quantenwanne durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung größere Aufmerksamkeit geschenkt, wobei sich ein geringeres Problem mit einer ausreichenden Dichte von Löchern ergibt. Trotzdem können die Zusammensetzungen der beiden Injektionsschichten derart hergestellt werden, daß beide Typen von Ladungsträgern in die Quantenwanne bei den geeigneten Energien injiziert werden.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform weist der verbesserte Resonanz-Quantenwannen-Laser auf: eine Quantenwanne mit zumindest einer Schicht eines Halbleiter-Lasermaterials, wobei die Quantenwanne eine Vielzahl von Energieniveaus für Elektronen aufweist; und eine Elektronen-Injektionsschicht und eine Löcher-Injektionsschicht, zwischen denen die Quantenwanne angeordnet ist, wobei die Elektronen-Injektionsschicht Elektronen an die Quantenwanne der Energie bei etwa der Energie von einem der Energieniveaus für die Elektronen in der Quantenwanne liefert, und die Löcher-Injektionsschicht eine Bandlücke aufweist, die größer ist als die Bandlücke der Elektronen-Injektionsschicht, wodurch die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen innerhalb der Quantenwanne vergrößert ist.
Das derzeit am meisten bevorzugte Ausführungsbeispiel des Quantenwannen-Lasers gemäß der Erfindung basiert auf einer Galliumarsenidkonstruktion. Bei einer Ausbildung weist ein derartiger Quantenwannen-Laser auf: eine Quantenwanne mit einer Schicht aus GaAs, wobei die Quantenwanne eine Vielzahl von Energieniveaus für Elektronen aufweist; eine Elektronen- Injektionsschicht der Zusammensetzung AlxGa1-xAs und eine Löcher-Injektionsschicht der Zusammensetzung AlyGa1-yAs, zwischen denen die Quantenwanne angeordnet ist, wobei die Elektronen-Injektionsschicht die Quelle der Elektronen für die Quantenwanne und die Löcher-Injektionsschicht die Quelle der Löcher für die Quantenwanne darstellt, wobei x derart gewählt ist, daß die Energie der Elektronen in der Elektronen-Injektionsschicht etwa das Energieniveau von einem der Energieniveaus für die Elektronen in der Quantenwanne beträgt, und y größer ist als x; und eine erste Barrierenschicht zwischen der Quantenwanne und der Elektronen-Injektionsschicht, und welche eine Zusammensetzung von AlmGa1-mAs aufweist, wobei m größer ist als x, und die erste Barrierenschicht eine Dicke von weniger als 4 nm (40 Angström) aufweist, um ein Tunneln von Elektronen von der Elektronen-Injektionsschicht in die Quantenwanne zu ermöglichen. Optional ist eine zweite Barrierenschicht zwischen der Quantenwanne und der Löcher-Injektionsschicht angeordnet, welche eine Zusammensetzung von AlnGa1-nAs aufweist, wobei n größer ist als y. Bei der Verwendung der zweiten Barrierenschicht ist es nicht notwendig, daß y größer als x ist.
Bei dem Quantenwannen-Laser auf der Grundlage von Galliumarsenid können die beiden Injektionsschichten aus Gründen der Einfachheit der Herstellung und bei der Verwendung in Zusammenhang mit Barrierenschichten aus derselben Zusammensetzung bestehen, oder können von unterschiedlicher Zusammensetzung sein, um die Effizienz für Elektronen und Löcher zu verbessern, welche unterschiedliche Energie-Zustände in der Quantenwanne aufweisen. Die Zusammensetzungen der Barrierenschichten können auf ähnliche Weise maßgeschnitten sein. Die exakten Zusammensetzungen der Injektions- und Barrierenschichten hängen von den für die Injektion gewählten Energieniveaus ab und liegen typischerweise von etwa 0,20 bis etwa 0,40 für x und y, und von etwa 0,20 bis etwa 1,0 für m und n.
Der Quantenwannen-Laser gemäß der Erfindung ermöglicht somit eine verbesserte Betriebsweise auf der Grundlage der Erkenntnis, daß die beiden Funktionen der Injektionsschicht nicht innerhalb einer einzigen Schicht kombiniert vorliegen müssen. Bei dem vorliegenden Ansatz wird die Funktion der Vergrößerung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrones innerhalb der Quantenwanne durch dünne Barrierenschichten zwischen der Injektionsschicht und der Quantenwanne ermöglicht, oder durch eine dünne Barrierenschicht zwischen der Elektronen-Injektionsschicht und der Quantenwanne und einer modifizierten Zusammensetzung der Injektionsschicht, aus der die Löcher injiziert werden. Die Zusammensetzung der Elektronen-Injektionschicht kann dann mit einer geringeren Einschränkung eingestellt werden, um Energieniveaus für die injizierten Ladungsträger zu liefern, die besser mit einer Resonanzenergie der Quantenwanne für jeden Ladungsträger zusammenpassen. Die Ladungsträger treten mit geeigneter Energie in die Quantenwanne von der Injektionsschicht ein und tunneln über die Barrierenschicht, falls diese vorhanden ist. Da die Energie der Ladungsträger nach der Injektion gut mit der Wannenresonanz zusammenpaßt, ist die Sammelwirksamkeit sehr hoch, und es werden die meisten der injizierten Ladungsträger innerhalb der Quantenwanne eingefangen. Somit stehen mehr angeregte Elektronen und Löcher für die Rekombination zur Verfügung, so daß der Ausgang und die Wirksamkeit des Lasers verbessert sind. Genauso bedeutsam bewirkt die größere Dichte der Elektronen eine verringerte Schwellenstrombedingung für die Betriebsweise des Quantenwannen-Lasers, wodurch es ermöglicht wird, daß die Vorrichtung bei einer geringeren Leistung und einem verringerten Rauschen betrieben werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der halbleitenden Quantenwannen-Laser dar. Es wird zunächst die Sammeleffizienz von injizierten Ladungsträgern vergrößert, wodurch sich eine wesentlich höhere Laserausgangsleistung und Wirksamkeit ergibt, und ein verringerter Schwellenstrom.
Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Seitenschnittansicht eines herkömmlichen Quantenwannen-Lasers;
Fig. 2 ein schematisches Energiebanddiagramm des Lasers gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine berechnete Kurve der Aufenthaltswahrscheinlichkeitsverteilung eines Elektrons in dem Laser gemäß Fig. 1;
Fig. 4 eine Seitenschnittansicht eines Quantenwannen-Lasers entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ein schematisches Energiebanddiagramm des Lasers gemäß Fig. 4;
Fig. 6 eine berechnete Kurve der Aufenthaltswahrscheinlichkeitsverteilung eines Elektrons in dem Laser gemäß Fig. 4;
Fig. 7 berechnete Kurven des Injektionskoeffizienten für den Laser gemäß Fig. 1 (Fig. 7A) und für den Laser gemäß Fig. 4 (Fig. 7B);
Fig. 8 ein schematisches Energiebanddiagramm zur Darstellung eines weiteren Ansatzes für die Anpassung der Energieniveaus in dem Laser gemäß Fig. 4.
Fig. 9 ein schematisches Energiebanddiagramm eines Lasers gemäß der vorliegenden Erfindung, welcher hinsichtlich der Elektronen- und Löchersammeleffizienz optimiert ist; und
Fig. 10 eine berechnete Kurve der Ladungsträgerdichte in der Quantenwanne als Funktion der angelegten Spannung für verschiedene Konfigurationen des Quantenwannen-Lasers.
Als Hintergrundinformation wird in Fig. 1 ein herkömmlicher Quantenwannen-Laser 10 erläutert, und in Fig. 2 werden die entsprechend relevanten Energieniveaus dargestellt. Der herkömmliche Quantenwannen-Laser 10 weist eine Quantenwanne 12, typischerweise GaAs, in der Dicke in einer Größenordnung von 10 nm (100 Angström). Auf beiden Seiten der Quantenwanne 12 und in heteroepitaktischem Kontakt mit der Quantenwanne sind zwei Injektionsschichten 14 angeordnet, welche eine relative Zusammensetzung von beispielsweise Al0,3Ga0,7As aufweisen mögen. Die gesamte Dicke der Injektionsschichten 14 und der Quantenwanne 12 liegt in der Größenordnung von 1 x 10&supmin;&sup7; Meter. Elektronen werden injiziert von der Injektionsschicht 14 auf der einen Seite der Quantenwanne 12, während Löcher von der anderen Injektionsschicht 14 injiziert werden. Die Injektionsschichten 14 umschließen die Ladungsträger innerhalb der Quantenwanne 12 bei der Einschlußlaserenergie 16 aufgrund ihrer höheren Bandlücke.
Um diese Funktionsweise zu ermöglichen, muß die Injektionsschicht 14 eine Zusammensetzung aufweisen, die eine größere Bandlücke als die der Quantenwanne 12 ergibt. Es wurde beobachtet, daß das Elektronenenergieniveau 18 wesentlich höher liegt als die Laserenergie 16 für Elektronen innerhalb der Quantenwanne 12. Demzufolge muß das Elektron den Unterschied an Energie verlieren, um innerhalb der Quantenwanne 12 eingefangen zu werden. Fig. 3 zeigt für einen typischen Fall die Ergebnisse einer quantenmechanischen Berechnung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit dafür, ein Elektron oberhalb, aber in der Nähe der Energie des Leitungsbandminimums der Injektionsschicht 14 innerhalb des Bereiches der Quantenwanne 12 zu finden. (In Fig. 3 wird das Elektron von rechts injiziert.) Augenscheinlich ist die Ladungsdichte ziemlich niedrig, was die Schwierigkeit anzeigt, die Elektronen innerhalb der Quantenwanne 12 einzufangen.
Bei dem verbesserten Quantenwannen-Laser, der ein resonantes Tunneln gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, ist der Anstieg der Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons in der Quantenwanne während dem Betrieb des Lasers weiter verbessert. Ein verbesserter Quantenwannen-Laser 20 weist eine Quantenwanne 22 auf, die zwischen zwei Halbleiter- Injektionsschichten 24 angeordnet ist. Die Quantenwanne 22 führt im wesentlichen dieselbe Funktion aus wie die Quantenwanne 12 des Lasers 10. Die Halbleiter- Injektionsschichten 24 injizieren Ladungsträger in die Quantenwanne 12, wobei eine Schicht 24 Elektronen und die andere Löcher injiziert. Jedoch befinden sich die Injektionsschichten 24 nicht in direktem Kontakt mit der Quantenwanne 22.
In Zwischenlage zwischen der Quantenwanne 22 und jeder der Injektionsschichten 24 befindet sich eine Barrierenschicht 26 eines Halbleitermaterials in einer ausreichend dünnen Schicht derart, daß die Ladungsträger (jeweils Elektronen und Löcher) von der Injektionsschicht 24 über die Barrierenschicht 26 und in die Quantenwanne 22 tunneln können, womit die Funktion der Injektion von Ladungsträgern in die Quantenwanne 22 bewerkstelligt wird. Eine Dicke der Barrierenschicht von weniger als etwa 4 nm (40 Angström) reicht gewöhnlich aus, ein Tunneln zu ermöglichen, wobei jedoch gilt, daß je größer die Dicke ist, desto geringer der Tunnelstrom ist.
Die chemische Zusammensetzung der Barrierenschicht 26 ist derart ausgewählt, daß Resonanz in der Wanne mit einer hohen Wahrscheinlichkeit, hier Elektronen zu finden, erzeugt wird. Je dicker die Barrierenschicht 26 ist, desto effektiver ist die Wahrscheinlichkeitsverbesserung, aber desto geringer ist der Tunnelstrom von Ladungsträgern, welche in die Quantenwanne 22 injiziert werden. Die Auswahl der optimalen Zusammensetzung ist eine Frage der Optimierung für jedes Materialsystem und ist im folgenden für das Galliumarsenidsystem veranschaulicht.
Da die Elektroneneinschlußfunktion wesentlich durch die Barrierenschicht 26 bewerkstelligt ist, kann die chemische Zusammensetzung der Injektionsschicht 24 für die optimalen Energieeigenschaften der injizierten Elektronen variiert werden. Insbesondere wird die chemische Zusammensetzung der Injektionsschicht 24 derart ausgewählt, daß sie eine Leitungsbandminiumenergie für die von jeder Schicht 24 injizierten Ladungsträger aufweist, welche etwa der Resonanzenergie des Ladungsträgers in der Quantenwanne 22 entspricht. (Die Resonanzenergien für Elektronen und Löcher der Quantenwanne sind verschieden, und daher kann es wünschenswert sein, unterschiedliche Zusammensetzungen für die Injektionsschicht 24, aus der die Elektronen in die Quantenwanne injiziert werden, und für die Injektionsschicht 24, aus der die Löcher in die Quantenwanne injiziert werden, vorzusehen.)
Fig. 5 veranschaulicht das Energiebanddiagramm für den Quantenwannen-Laser gemäß Fig. 4. Die erlaubten Energieniveaus 28 der Elektronen in der Quantenwanne 22 werden durch die Auswahl des Lasermaterials in der Quantenwanne bestimmt, welches hier als GaAs dargestellt wird, und durch die Geometrie der Quantenwanne. Das Injektionsschichtmaterial wird als eine Legierung von AlGaAs ausgewählt, deren Zusammensetzung weiterhin zur Erzielung eines Leitungsbandminimums 30 für die Elektronen variiert werden kann, welches gut mit einem der Elektronenenergieniveaus 28 der Quantenwanne 22 zusammenpaßt. Da die Einschlußfunktion durch die Barrierenschicht 26 bewerkstelligt wird, wird durch diese Betrachtung die Legierungszusammensetzung der Injektionsschicht 24 nicht mehr eingeschränkt.
Durch Anpassen des Leitungsbandminimums 30 der Elektronen in der Elektronen-Injektionsschicht 24, aus der die Elektronen injiziert werden, mit einem der Energieniveaus 28, welches für die Elektronen benötigt wird, wenn diese die Quantenwanne 22 erreichen, ist es nicht notwendig, daß die Elektronen irgendwelche bedeutsamen Änderungen in der Energie bei dem Einfang innerhalb der Quantenwanne 22 erfahren, falls diese direkt in das Laserenergieniveau injiziert werden. Falls die Elektronen in ein höheres, jedoch breiteres Energieniveau injiziert werden, müssen diese Energie verlieren, wobei jedoch die vergrößerte Wahrscheinlichkeitsdichte dort die für die Streuung der Elektronen und die für den Energieverlust verfügbare Zeit verlängert wird. Folglich wird in jedem Fall ein höherer Anteil von injizierten Ladungsträgern innerhalb der Quantenwanne 22 gehalten.
Fig. 6 veranschaulicht die Ergebnisse einer quantenmechanischen Berechnung der Wahrscheinlichkeit dafür, ein Elektron mit einer Energie oberhalb, aber in der Nähe der Energie des Injektionsschicht-Leitungsbandminimums zu finden, welches mit der entsprechenden Fig. 3 für den herkömmlichen Quantenwannen-Laser 10 zu vergleichen ist. Die Wahrscheinlichkeit ist über 10mal größer bei dem Laser, bei dem der verbesserte Resonanzansatz gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet ist. Als Ergebnis darf erwartet werden, daß der Ausgang und die Wirksamkeit des resonanten Tunnellasers 20 wesentlich im Vergleich zum herkömmlichen Laser verbessert ist.
Zur Berechnung des Injektionskoeffizienten der Elektronen als Funktion der Energie oberhalb des Injektionsschicht-Leitungsbandminimums wird eine weitere quantenmechanische Berechnung verwendet. Der Injektionskoeffizient ist definiert als die Wahrscheinlichkeit dafür, daß das Elektron durch die Barrierenschichten hindurchgeht. Falls ein Elektron beide Schichten durchtritt, muß es eine gewisse Zeit innerhalb der Wanne verbracht haben, so daß möglicherweise ein Streuereignis aufgetreten ist. Ein Vergleich der beiden Kurven der Fig. 7A und 7B demonstriert, daß der Injektionskoeffizient für Elektronen in der Nähe des Leitungsbandminimums erheblich vergrößert ist, wenn der vorliegende Ansatz verwendet ist, vgl. Fig. 7B, als im Fall des herkömmlichen Quantenwannen-Lasers gemäß Fig. 7A.
Die Energie des Ladungsträgers in der Injektionsschicht 24 kann ebenfalls bei anderen Werten eingestellt sein, wie beispielsweise auf das zweite oder höhere Energieniveau der Quantenwanne 22, wie dies in Fig. 8 veranschaulicht ist. Die Injektion in das höhere Quantenenergieniveau hat den Nachteil, daß damit ein Energieverlust des injizierten Elektrons auf das Resonanzniveau verbunden ist, weist jedoch die Vorteile auf, daß ein weiter verengtes Laserniveau ermöglicht ist und eine Reabsorption des erzeugten Lichtes durch die Injektionsschichten vermieden wird, welche dann dieselbe Bandlücke wie die Quantenwanne aufweisen.
Ein Nachteil der Verwendung von Barrierenschichten 26 auf beiden Seiten der Quantenwanne 22 liegt darin, daß die Löcher über die Barrierenschicht in die Wanne tunneln müssen. Dieses Problem kann durch die Verwendung von unterschiedlichen Barrierenschichtzusammensetzungen und Dicken und unterschiedliche Injektionsschichtzusammensetzungen für die Seiten, aus der die Elektronen und die Löcher injiziert werden, vermieden werden, wie es schematisch in Fig. 9 dargestellt ist.
Bei einem noch weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die getrennte Barrierenschicht auf der Seite der Löcher-Injektionsschicht weggelassen sein und die injizierten Elektronen durch Vergrößern der Bandlücke der Injektionsschicht 24, aus der die Löcher injiziert werden, eingefangen werden. Man muß sich in Erinnerung rufen, daß die injizierten Löcher, welche eine relativ kurze Streuentfernung aufweisen, auf leichte Weise ausreichend Energie für den Eintritt in das Löcher-Laserniveau verlieren können. Die Elektronen haben auf der anderen Seite wesentlich größere Streulängen, so daß für den Einschluß der injizierten Elektronen mehr getan werden muß, damit diese innerhalb der Quantenwanne verbleiben, bis ein ausreichend großer Energieverlust auftritt.
Somit kann eine verbesserte Resonanz durch die Einstellung der Zusammensetzung der Injektionsschicht 24, aus der die Elektronen injiziert werden, auf einen derartigen Wert erzielt werden, daß die Elektronen eine Energie von etwa einem der Energieniveaus in der Quantenwanne aufweisen, wenn sie injiziert werden. Die Zusammensetzung der Injektionsschicht 24, aus der die Löcher injiziert werden, wird derart eingestellt, daß deren Leitungsband signifikant angehoben ist, so daß es für den Einfang der Elektronen innerhalb der Quantenwanne wirkt und diese daran hindert, daß sie die zweite Injektionsschicht erreichen. Die Injektion der Löcher ist demzufolge nicht optimal, es wird jedoch eine ausreichende Lieferung von Löchern aufgrund ihrer inhärent größeren Energieverlustrate innerhalb der Quantenwanne weiterhin ermöglicht.
Fig. 10 veranschaulicht die berechnete Optimierung der Zusammensetzung für die vorstehend beschriebene Konfiguration und für die herkömmliche Quantenwanne in einer Kurve der Ladungsdichte in der Wanne als eine Funktion der Spannung über der Quantenwanne und den Barrieren. Die Berechnung beruht auf einem zweibandigen lockeren Bindungsmodell, bei dem die Bandlücke und die effektiven Massen für GaAs und AlGaAs vorgesehen sind. Die Quantenwannen gemäß der Erfindung erzielen Verbesserungen der Ladungsdichte in der Wanne von über einer Größenordnung des Wertes bei einer angelegten Spannung von Null. Die exakte Ladungsdichte hängt von sowohl der Konfiguration als auch der Zusammensetzung der Barriere ab. Beispielsweise wird bei der soeben erläuterten Konfiguration eine optimale Eigenschaft mit etwa 29 Atom-% Aluminium in Galliumarsenid erzielt, wobei jedoch diese Optimalzahl mit anderen Geometrien und Zusammensetzungen, und insbesondere für andere Materialien, variieren kann.
Zusammenfassend ergibt sich, daß der verbesserte Resonanz- Quantenwannen-Laser gemäß der vorliegenden Erfindung außerordentlich verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu den vorbekannten Wannenlasern durch Vergrößern der Ladungsdichte der Ladungsträger innerhalb der Quantenwanne zeigt. Es können dieselben Materialien und Techniken bei der Herstellung der verbesserten Quantenwannen-Laser wie bei den vorbekannten Quantenwannen-Lasern verwendet werden, wobei jedoch diese Materialien in unterschiedlichen Anordnungen kombiniert werden.

Claims

1. Enhance-Resonanz-Quantenwannen-Laser, aufweisend:

eine Quantenwanne (22) mit zumindest einer Schicht eines Halbleiter-Lasermaterials, wobei die Quantenwanne eine Vielzahl von Energieniveaus (16, 28) für Elektronen aufweist;

eine Elektronen-Injektionsschicht (24) und eine Löcherinjektionsschicht (24), zwischen denen die Quantenwanne angeordnet ist, wobei die Elektronen-Injektionsschicht Elektronen an die Quantenwanne bei einem Energieniveau von etwa einem der Energieniveaus für Elektronen in der Quantenwanne liefert, und die Löcher-Injektionsschicht Löcher an die Quantenwanne liefert und eine Zusammensetzung derart aufweist, daß die Bandlücke der Löcherinjektionsschicht größer ist als diejenige der Elektronen-Injektionsschicht; und

eine erste Barrierenschicht (26) zwischen der Quantenwanne und der Elektronen-Injektionsschicht, wobei die erste Barrierenschicht eine Bandlücke aufweist, welche größer ist als diejenige der Elektronen-Injektionsschicht und ausreichend dünn ist, so daß ein Tunneln der Elektronen von der Elektronen-Injektionsschicht in die Quantenwanne ermöglicht ist, wobei die erste Barrierenschicht und die große Bandlücke der Löcher-Injektionsschicht zusammen die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in dem Bereich der Quantenwanne erhöhen.

2. Quantenwannen-Laser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Barrierenschicht (26) zwischen der Quantenwanne und der Löcher-Injektionsschicht, wobei die beiden Barrierenschichten und die große Bandlücke der Löcher-Injektionsschicht zusammen die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in dem Bereich der Quantenwanne erhöhen.

3. Quantenwannen-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsband-Minimum und das Valenzband-Maxium der Elektronen-Injektionsschicht von etwa 0 bis etwa 0,4 Elektronenvolt unterhalb des Quantenwannen-Laserenergieniveaus der Elektronen ist.

4. Quantenwannen-Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Barrierenschicht und die zweite Barriere verschiedene Zusammensetzungen und Dicken aufweisen.

5. Quantenwannen-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermaterial in der Quantenwannenvorrichtung GaAs ist.

6. Quantenwannen/Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Barrierenschicht eine AlGaAs-Legierung aufweist.

7. Quantenwannen-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Barrierenschicht weniger als etwa 4 nm (40 Angström) dick ist.

8. Quantenwannen-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Injektionsschicht eine AlGaAs-Legierung aufweist.

9. Quantenwannen-Laser nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß die Quantenwanne eine Einzelschicht aus einem Lasermaterial aufweist.

10. Quantenwannen-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet; daß die Quantenwanne eine Vielzahl von alternierenden Schichten von zwei Halbleitermaterialien aufweist.

11. Enhance-Resonanz-Quantenwannen-Laser, aufweisend:

eine Quantenwanne (22) mit zumindest einer Schicht eines Halbleiter-Lasermaterials, wobei die Quantenwanne eine Vielzahl von Energieniveaus für Elektronen und eine Vielzahl von Energieniveaus (16, 28) für Löcher aufweist;

eine Elektronen-Injektionsschicht (24) und eine Löcher- Injektionsschicht (24), zwischen denen die Quantenwanne angeordnet ist, wobei die Elektronen-Injektionsschicht Elektronen an die Quantenwanne bei etwa der Energie von einem der vielen Energieniveaus für die Elektronen in der Quantenwanne liefert, und die Löcher-Injektionsschicht Löcher an die Quantenwanne liefert;

eine zwischen der Quantenwanne und der Elektronen-Injektionsschicht angeordnete und diese kontaktierende erste Barrierenschicht (26); und

eine zwischen der Quantenwanne und der Löcher- Injektionsschicht angeordnete und diese kontaktierende zweite Barrierenschicht (26), wobei die Barrierenschichten die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in dem Bereich der Quantenwanne erhöhen.

12. Enhance-Resonanz-Quantenwannen-Laser, aufweisend:

eine Quantenwanne (22) mit einer Schicht aus GaAs, wobei die Quantenwanne eine Vielzahl von Energieniveaus (16,28) für Elektronen aufweist;

eine Elektronen-Injektionsschicht (24) der Zusammensetzung AlxGa1-xAs und eine Löcher-Injektionsschicht (24) der Zusammensetzung AlyGa1-yAs, zwischen denen die Quantenwanne angeordnet ist, wobei die Elektronen-Injektionsschicht die Quelle der Elektronen für die Quantenwanne und die Löcher-Injektionsschicht die Quelle der Löcher für die Quantenwanne darstellt, wobei x derart beträgt, daß die Energie der Elektronen in der Elektronen-Injektionsschicht etwa das Energieniveau von einem der Energieniveaus für die Elektronen in der Quantenwanne beträgt; und

eine erste Barrierenschicht (26) zwischen der Quantenwanne und der Elektronen-Injektionsschicht, und welche eine Zusammensetzung von AlmGa1-mAs aufweist, wobei m größer ist als x, und die erste Barrierenschicht eine Dicke von weniger als etwa 40 Angström aufweist, um ein Tunneln von Elektronen von der Elektronen-Injektionsschicht in die Quantenwanne zu ermöglichen.

13. Quantenwannen-Laser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß x im wesentlichen gleich y ist.

14. Quantenwannen-Laser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß y größer ist als x.

15. Quantenwannen-Laser nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine zweite Barrierenschicht (26) zwischen der Quantenwanne und der Löcher-Injektionsschicht, und welche eine Zusammensetzung von AlnGa1-nAs aufweist, wobei n größer ist als y.

16. Enhance-Resonanz-Quantenwannen-Laser, aufweisend:

eine Quantenwanne (22) mit zumindest einer Schicht eines Halbleiter-Lasermaterials, wobei die Quantenwanne eine Vielzahl von Energieniveaus (16,28) für Elektronen aufweist;

eine Elektronen-Injektionsschicht (24) und eine Löcher- Injektionsschicht (24), zwischen denen die Quantenwanne angeordnet ist, wobei die Elektronen-Injektionsschicht Elektronen an die Quantenwanne bei einer Energie von etwa der von einem der Energieniveaus (16,28) der Elektronen in der Quantenwanne liefert, und die Löcher-Injektionsschicht eine Bandlücke aufweist, welche größer ist als die Bandlücke der Elektronen-Injektionsschicht, wodurch die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in der Quantenwanne erhöht ist.

17. Quantenwannen-Laser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsband-Minimum (30) und das Valenzband-Maximum der Elektronen-Injektionsschicht von etwa 0 bis etwa 0,4 Elektronenvolt unterhalb des Quantenwannen Laserenergieniveaus der Elektronen beträgt.

18. Quantenwannen-Laser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Lasermaterial GaAs ist.

19. Quantenwannen-Laser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Quantenwanne eine Vielzahl von alternierenden Schichten von zwei Halbleitermaterialien aufweist.

20. Quantenwannen-Laser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen-Injektionsschicht und die Löcher-Injektionsschicht Legierungen derselben Legierungselemente darstellen, wobei die Löcher-Injektionsschicht eine größere Konzentration des Legierungselementes aufweist als die Elektronen-Injektionsschicht.