DE69019233T2

DE69019233T2 - Halbleiter-Laservorrichtung.

Info

Publication number: DE69019233T2
Application number: DE69019233T
Authority: DE
Inventors: Naoki Chinone; Tsukuru Ohtoshi; Shinji Sasaki; Tomonobu Tsuchiya; Kazuhisa Uomi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-06-12
Filing date: 1990-06-12
Publication date: 1995-10-26
Anticipated expiration: 2010-06-13
Also published as: EP0402869A2; DE69019233D1; EP0402869A3; US5073892A; CA2018841A1; EP0402869B1

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterlaser-Bauelement, das für optische Faserkommunikation, die optische Modulation mit ultrahoher Geschwindigkeit erfordert, oder für optische Logikschaltungen, optische Verbindungen usw., wie in optischen Computern benutzt, verwendet werden kann.

2. Beschreibung des einschlägigen Stands der Technik

Bisher wurde ein Verfahren zum Modulieren der Intensität aus einem Quantentrog durch Anlegen eines elektrischen Felds an eine Quantentrogstruktur in Laminatrichtung der Struktur ausgeführt, um die Quantenzustände zu verändern, wie in Oyo Butsuri [Journal of Applied Physics (Japan)], Vol. 55, S. 210, 1986 und auf ähnliche Weise in EP-A-0 276 140 und US-A-4,700,353 erörtert, welche Schrift die Merkmale im Oberbegriff von Anspruch 1 offenbart. Das bei diesem Verfahren verwendete Modulationsprinzip wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 2A und 28 erläutert. In Fig. 2A sind das Quantenniveau (gestrichelte Linie) und die Wellenfunktionen von Elektronen und Löchern bei keinem angelegten elektrischen Feld dargestellt. Sowohl die Elektronen als auch die Löcher sind in der Quantentrogschicht lokalisiert und ihre Wellenmfunktionen sind symmetrisch zur Mitte des Trogs. Wenn ein elektrisches Feld in Laminatrichtung der Quantentrogstruktur angelegt wird, sind, andererseits, die Energiebänder so geneigt, wie es in Fig. 2B dargestellt ist, was dazu führt, daß die Symmetrie der Wellenfunktionen verlorengeht. D.h., daß die Elektron-Wellenfunktion nach links verschoben ist, wo die Energie geringer ist, wohingegen die Loch-Wellenfunktion rechts liegt, wie in der Figur dargestellt. Anders gesagt, unterscheiden sich die Positionen von Elektronen und die Positionen von Löchern auf räumlicher Basis voneinander, wie in Fig. 2B dargestellt.
In dieser Beschreibung ist der Abstand zwischen der Peakposition der Elektron-Wellenfunktion und der Peakposition der Loch-Wellenfunktion als "abstand zwischender Position von Elektronen und der Position von Löchern" definiert, wie in Fig. 2B dargestellt. So sind, wenn einelektrisches Feld extern in Laminatrichtung der Quantentrogstruktur angelegt wird, wie oben genannt, die Elektron-Wellenfunktion und die Loch-Wellenfunktion räumlich voneinander im Quantentrog getrennt. D.h., daß der "Abstand zwischen der Position von Elektronen und der Position von Löchern" vergrößert ist. Infolgedessen nimmt die räumliche Überlappung der Elektron- Wellenfunktion und der Loch-Wellenfunktion ab, mit dem Ergebnis einer Verringerung der Wahrscheinlichkeit optischer Übergänge, d.h. der Schwingungsstärke. Kurzgesagt, ändert sich die Intensität der Ausgangsleistungabhängig davon, ob ein elektrisches Feld vorhanden ist oder nicht. Die Geschwindigkeit der Modulation, oder die Änderungsrate der Intensität der Ausgangsleistung abhängig vom Vorliegen oder Fehlen eines elektrischen Felds, ist extrem hoch - in der Größenordnung von Pikosekunden. So ist esmöglich, die Modulationsgeschwindigkeit um eine oder zwei Größenordnungen im Vergleich zur Geschwindigkeit zu erhöhen, wie sie bei einem direkten Modulationssystem eines bekannten Halbleiterlasers erzielt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Wenn das vorstehend genannte Modulationssystem auf einen Halbleiterlaser mit gewöhnlicher Quantentrogstruktur angewandt wird, hebt das Vorhandensein von Elektronen und Löchern im Quantentrog das an den Trog angelegte elektrische Feld auf (Abschirmungseffekt), wodurch die Nettostärke des angelegten elektrischen Felds geschwächt wird. D.h., daß die für Laserschwingung erforderliche Ladungsträgerdichte ungefähr 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ beträgt, und bei einer so hohen Ladungsträgerdichte wie dieser, wird eine Modulation der Intensität der Ausgangsleistung eines Quantentrogs durch Anlegen eines elektrischen Felds wegen der Abschirmung unmöglich. Als Ergebnis der Untersuchungen der Erfinder im vorliegenden Fall stellte sich heraus, daß das vorstehend genannte Modulationsverfahren gemäß dem Stand der Technik nur im Zustand spontaner Lichtstrahlung verwendbar ist, d.h. vor der Laserschwingung, und daß es schwierig ist, das Verfahren auf die Modulation eines Halbleiterlaser-Bauelements anzuwenden.
Die Erfindung beabsichtigt eine Lösung der vorstehend genannten technischen Probleme im Stand der Technik.
Es ist demgemäß eine Aufgabe der Erfindung, eine neuartige Struktur eines Halbleiterlaser-Bauelements zu schaffen, das die Intensität der Ausgangsleistung eines Quantentrogs dadurch modulieren kann, daß ein elektrisches Feld angelegt wird, und zwar selbst im Laserschwingungszustand, wie in den Fig. 2A und 2B dargestellt.
Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 definierte Halbleiterlaser-Bauelement gelöst.
Der Potentialtopf mit dem Bereich, der die Ladungsträgerneutralität-Bedingung nicht erfüllt, führt zu einer Verringerung der Schwellen-Ladungsträgerdichte für Laserschwingung, wie unten im einzelnen erläutert, was gute Wirkung eines modulierten elektrischen Felds sicherstellt, wodurch optische Modulation mit ultrahoher Geschwindigkeit in einem Laserschwingungsmode ermöglicht ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der aktive Bereich eine Struktur auf, in der der Abstand zwischen der Position von Elektronen und der Position von Löchern im Potentialtopf durch das von der Anlegeeinrichtung für ein elektrisches Feld angelegte elektrische Feld verändert wird. Die Position der Elektronen und die Position der Löcher kann durch ein elektrisches Feld eingestellt werden, um die räumliche Überlappung der Wellenfunktionen, die dieelektronen bzw. Löcher beschreiben, wie in den Fig. 2A und 2B dargestellt, zu verändern, um die Strahlung von Licht auf Grundlage der Rekombination von Ladungsträgern zu steuern. Modulation des elektrischen Felds ist ausgewählt, um optische Modulation mit ultrahoher Geschwindigkeit in einem Laserschwingungsmodus zu realisieren. Durch Verwenden eines aktiven Bereichs, in dem die Schwellen-Ladungsträgerdichte für Laserschwingung eine solche Ladungsträgerdichte ist, daß keine effektive Abschirmung eines modulierten elektrischen Felds hervorgerufen wird, wobei ein typischer Wert für die Ladungsträgerdichte kleiner als 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ ist, ist es möglich, optische Modulation mit ultrahoher Geschwindigkeit durch ein elektrisches Feld zu realisieren.
Gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der vorstehend genannte Bereich, der die Ladungsträgerneutralität-Bedingung für freie Ladungsträger nicht erfüllt, durch selektives Einführen eines Fremdstoffs mit einem Leitungstyp in den Potentialtopf ausgebildet. In diesem Fall ist die Dichte des Fremdstoffs mit Leitungstyp wünschenswerterweise nicht kleiner als 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³. Das Einführen eines n-Fremdstoffs, der auf die Verringerung der Schwellen- Ladungsträgerdichte für Laserschwingung eine größere Auswirkung hat, ist für die bei der Erfindung verwendete Modulation eines elektrischen Felds besonders geeignet. Die Fremdstoffdichte beträgt wünschenswerterweise nicht weniger als 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ im Fall eines n-Fremdstoffs und nicht weniger als 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ im Fall eines p-Fremdstoffs. Insbesondere wird mit einem n-Fremdstoff, der mit einer Dichte von nicht weniger als 2 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ verwendet wird, oder mit einem p- Fremdstoff, der mit einer Dichte von nicht weniger als 5 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ verwendet wird, eine beachtliche Wirkung erzielt.
Ein Vorteil der Erfindung ist es, daß es möglich ist, ein Halbleiterlaser-Bauelement zu realisieren, das einen Quantenzustand durch Anlegen eines elektrischen Felds an einen Potentialtopf ändern kann, um dadurch die Intensität der Ausgangsleistung in einem Laserschwingungszustand mit hoher Geschwindigkeit zu modulieren.
Ein anderer Vorteil der Erfindung ist es, daß es möglich ist, ein Halbleiterlaser-Bauelement zu realisieren, in dem der spektrale Chirpeffekt zum Modulationszeitpunkt extrem klein ist. Obwohl die Grenze für den Übertragungsabstand bei herkömmlicher optischer Kommunikation durchdie Wellenlängendispersion einer optischen Faser bestimmt wird, verringert die Verwendung der Erfindung den Einfluß der Wellenlängendispersion, um dadurch dispersionsfreie Übertragung zu ermöglichen.
Noch ein anderer Vorteil der Erfindung ist es, daß es möglich ist, ein Halbleiterlaser-Bauelement zu schaffen, das für optische Faserkommunikation mit ultrahoher Geschwindigkeit oder für optische Verbindung in Computern geeignet ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Querschnitt, der ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements zeigt;
Fig. 2A und 2B sind Diagramme zum Veranschaulichen des Grundbetriebprinzips der Erfindung, wobei insbesondere das Verhalten von Elektronen und Löchern ohne angelegtes elektrisches Feld bzw. bei einem von Null abweichenden angelegten elektrischen Feld veranschaulicht ist;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dotierungsdichte und der Schwellen-Ladungsträgerdichte zeigt;
Fig. 4, 5A und 5B sind Querschnitte, die andere Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen;
Fig. 6A bis 6H sind Diagramme, die verschiedene Formen einer Potentialtopfstruktur zeigen, wie sie in einem aktiven Bereich enthalten ist, der bei einem erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelement verwendet wird;
Fig. 7 ist ein Systemdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, bei dem ein erfindungsgemäßes Malbleiterlaser-Bauelement für optische Faserkommunikation verwendet ist;
Fig. 8 ist ein Diagramm, das eine Anordnung einer Peripherieschaltung für ein erfindungsgemäßes Halbleiterlaser-Bauelement zeigt;
Fig. 9 ist ein Querschnitt durch das in Fig. 4 dargestellte Bauelement, entlang der Richtung des Resonators; und
Fig. 10 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Abstand zwischen der Position von Elektronen und der Position von Löchern sowie der optischen Ausgangsleistung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Ein System, das die Ladungsträgerneutralität-Bedingung für freie Ladungsträger in einem Potentialtopf nicht erfüllt, ist ein System, das der folgenden Ungleichung genügt:
(n&sub0; + n&sub1;) ≠ (p&sub0; + p&sub1;),
wobei n&sub1; und p&sub1; die Dichten injizierter Elektronen und Löcher sind und n&sub0; und p&sub0; die Dichten von Elektronen und Löchern in einem Zustand ohne Injektion sind. Jedoch bedeutet ein System, das die Ladungsträgerneutralität-Bedingung nicht erfüllt, auf das bei der Erfindung Bezug genommen wird, ein System, bei dem die Abweichung der vorstehenden Ungleichung von der entsprechenden Gleichung typischerweise nicht kleiner als 1 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ ist, d.h.:
(n&sub0; + n&sub1;) - (p&sub0; + p&sub1;) > 1 x 10¹&sup8; cm &supmin;³.
Die Erfinder haben die Idee vorgestellt, daß das Einführen eines Fremdstoffs in eine Quantentrogstruktur ein beträchtliches Absenken der Ladungsträgerdichte ermöglicht, wie für Laserschwingung erforderlich, d.h. der Schwellen-Ladungsträgerdichte [Shin-Gaku Giho (Technical Research Reports of the Institute of Electronics and Communication Engineers of Japan), OQEB6-63]. Die Erfindung realisiert die Idee in einem Halbleiterlaser-Bauelement vom Typ mit Modulation durch ein elektrisches Feld. Das Absenken der Schwellen-Ladungsträgerdichte beruht auf dem Effekt einer Fremdstoffdotierung, d.h. dem Effekt einer Verringerung des Terms für stimulierte Absorption, mit einer Erhöhung der optischen Verstärkung bei einer vorgegebenen Dichte injizierter Ladungsträger. Dieser Effekt ist in Fig. 3 dargestellt. Da eine Laserschwingungsbedingung bei geringer Ladungsträgerdichte erfüllt wird, wird das von außen zur Modulation an den Trog angelegte elektrische Feld durch die Bewegung von im Trog lokalisierten Ladungsträgern nicht aufgehoben. Im Ergebnis ist es möglich, die räumliche Überlappung der Elektron-Wellenfunktion und der Loch-Wellenfunktion einzustellen. Die Fig. 2A und 2B veranschaulichen die Verteilungen von in einem Potentialtopf lokalisierten Elektronen und Löchern beim Fehlen jedes angelegten Felds bzw. beim Vorliegen eines angelegten elektrischen Felds. So ist es möglich, durch ein elektrisches Feld eine Modulation hoher Geschwindigkeit auszuführen.
Die Formen des fremdstoffdotierten Bereichs und des Potentialtopfs können vielfältig sein, wie beispielhaft in den Fig. 6A bis 6H veranschaulicht. Speziell zeigt jede der Figuren ein System, in dem die Verteilung eines Fremdstoffs eines Leitungstyps, der in den Potentialtopf oder in der Nähe des Tops eingeführt ist, abgeteilt ist, um ein solches Potentialfeld aufzubauen, daß die im Topflokalisierten Ladungsträger gemäß ihrer Polarität voneinander getrennt werden. Durch Ausbilden dieser Struktur ist es möglich, Elektronen und Löcher leicht voneinander zu trennen. Außerdem handelt es sich, wie in den Fig. 6F, 6G und 6H dargestellt, auch um ein wirkungsvolles Mittel zum Erzielen desselben Zwecks zum Aufrechterhalten des Abstands zwischen Elektronen und Löchern durch Vorsehen einer Stufe im Potentialtopf, um dadurch die Verteilung z.B. der Elektronen abzuteilen. Die Modulation bei der Erfindung wird durch externes Anlegen eines elektrischen Felds für Modulationszwecke an den Potentialtopf durch eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Felds ausgeführt. Es ist möglich, die Laserschwingung durch Anlegen eines modulierten elektrischen Felds im wesentlichen zu Null zu machen. Der hier verwendeteAusdruck "im wesentlichen Null" bedeutet, daß es möglichist, stimulierte Emission (alle Emissionen außer spontaneremission) zu beseitigen. Die Einrichtung zum Anlegen eineselektrischen Felds kann z.B. mindestens ein Paar Elektroden aufweisen, die an der Ober- bzw. Unterseite des Potentialtopfs angeordnet sind.
Fig. 10 zeigt die Beziehung für den Abstand zwischen der Position der Elektronen und der Position der Löcher zur optischen Ausgangsleistung. Die hier angegebenen Daten wurden bei einer Dicke der Quantentrogschicht von 10 nm erhalten. Die zwei Kurven zeigen die Werte, wie sie mit Potentialtopfstrukturen gemäß den Fig. 6A bzw. 6F erhalten wurden. In dem Fig. 6F entsprechenden Diagramm ist die Dicke der Topfschicht die Gesamtdicke des gestuften Topfs (zweistufiger Topf). Wie in der Figur dargestellt, nimmt die optische Ausgangsleistung mit zunehmendem Abstand ab. Die Differenz zwischen der Struktur von Fig. 6A und der Struktur von Fig. 6B, wie aus Fig. 10 erkennbar, beruht auf der Struktur mit gestuftem Topf (zweistufiger Topf) von Fig. 6F, bei der Elektronen dazu neigen, in den unteren Topfbereich (den tiefsten Teil) des gestuften Topfs zu fallen, was zu einer abgeteilten Verteilung von Elektronen führt.
Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Gemäß Fig. 1 sind eine Mantelschicht 102 aus undotiertem GaAlAs, eine Quantentrogschicht 103 aus GaAs mit einer Dicke von 2 bis 20 nm sowie eine Mantelschicht 104 aus undotiertem GaAlAS auf ein halbisolierendes InP-Substrat 101 aufgewachsen. In diesem Fall ist die GaAs-Quantentrogschicht 103 aus zwei Bereichen ausgebildet, nämlich einer undotierten GaAs- Schicht 103b und einer n-GaAs-Schicht 103a, die mit einem n-Fremdstoff, wobei es sich um Se, Te oder Si handelt, mit einer Fremdstoffdichte von 1 x 10¹&sup8; bis 1 x 10¹&sup9; cm&supmin;³ dotiert ist. Diese Struktur entspricht Fig. 6A.
D.h., daß bei diesem Ausführungsbeispiel eine Ladungsträgerneutralität-Bedingung erfüllt ist, bei der die Elektronendichte im Topf höher ist als die Löcherdichte im Topf. Danach wird ein verlängerter Streifen mit einer Breite von 0,5 bis 5 um, der mindestens in die GaAs-Quantentrogschicht 103 eindringt, hergestellt. Dann werden eine vergrabene Schicht 105 aus p-GaAlAs und eine vergrabene Schicht 106 aus n-GaAlAs ausgebildet, gefolgt von einer Herstellung einer p-strominjizierenden Elektrode 107 und einer n-strominjizierenden Elektrode 108. Ferner wird das halbleitende Substrat 103 in dem dem verlängerten Streifen entsprechenden Bereich durch selektives Atzen entfernt und Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Felds 109 und 110 werden ausgebildet. Abschließend wird das so erhaltene System gespalten, um eine Resonatorlänge von 100 bis 500 um zu erhalten.
Das wie vorstehend beschrieben auf Versuchsbasis hergestellte Bauelement zeigt bei 2 bis 15 mA Laserschwingung. Fig. 8 zeigt ein Treibersystem, oder eine Peripherieschaltung, für dieses Ausführungsbeispiel. Elektroden 107, 108, 109 und 110 entsprechen denen in Fig. 1, wobei die Elektrode 108 mit Masse verbunden ist. Eine Strominjizierquelle 841 mit einer Funktion zum Einstellen der Strominjektionsmenge durch einen variablen Widerstand 840 ist mit der Elektrode 107 verbunden. Die Elektroden 109 und 110 zum Anlegen eines elektrischen Felds an den Quantentrog sind mit einer Quelle 842 zum Anlegen eines elektrischen Felds verbunden. Wenn die Elektrode 109 zum Anlegen eines elektrischen Felds mit Masse verbunden wurde und an die andere Elektrode 110 zum Anlegen eines elektrischen Felds während einer Laserschwingung mit einer Ausgangsleistung von 1 bis 5 mW eine Spannung von 2 V angelegt wurde, hörte die Laserschwingung auf und die optische Ausgangsleistung wurde auf Null verringert. So war es möglich, die Intensität der Laserausgangsleistung abhängig vom Vorliegen oder Fehlen eines an die Elektrode 110 angelegten elektrischen Felds zu modulieren. Die Schaltgeschwindigkeit in diesem Fall betrug ungefähr 5 ps, wobei der Wert durch die RC-Zeitkonstante des Bauelements begrenzt ist.
Ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements ist in Fig. 4 veranschaulicht, und Fig. 9 zeigt einen Querschnitt durch das Bauelement entlang der Richtung des Resonators. Dieses Ausführungsbeispiel veranschaulicht die Anwendung eines erfindungsgemäßen Halbleiterlaser-Bauelements auf einen DFB-Laser aus InGaAsP. Auf ein Substrat 401 aus n-InP werden eine Schicht 402 aus undotiertem InP mit einer Dicke von 0,05 bis 0,3 um, eine Quantentrogschicht 403 aus InGaAs oder InGaAsP mit einer Dicke von 5 bis 15 nm und eine optische Führungsschicht 405 aus InGaAsP mit einer Dicke von 0,05 bis 0,3 um aufgewachsen. Dann wird ein Gitter 440 mit einer Periode von ungefähr 240 nm auf der optischen Führungsschicht 405 ausgebildet. Danach wird eine optische Begrenzungsschicht 406 aus p-InP aufgewachsen. Hierbei wird die Quantentrogschicht 403 mit zwei Bereichen ausgebildet, nämlich einem p-Bereich 403a und einem undotierten Bereich 403b. Die Dotierungsdichte des p- Bereichs 403a beträgt ungefähr 2 x 10¹&sup8; bis 1 x 10¹&sup9; cm&supmin;³. Diese Struktur entspricht der von Fig. 6B. Danach wird ein verlängerter Streifen mit einer Breite von 0,5 bis 3 um, der in die aufgewachsenen Schichten eindringt, ausgebildet, und dann werden eine vergrabene Schicht 417 aus p-InP und eine vergrabene Schicht 418 aus n-Inp aufgewachsen. Danach werden eine p-strominjizierende Elektrode 407 und eine n-strominjizierende Elektrode 408 ausgebildet und es werden Elektroden 409 und 410 zum Anlegen eines elektrischen Felds ausgebildet. Schließlich wird das so erhaltene System auf eine Bauelementlänge von 100 bis 1000 um zerschnitten. Die Ausbildungsrichtung (die Grabenrichtung) des Gitters steht rechtwinklig zum Streifen. In diesem Bauelement ist die Quantentrogschicht 403 in einen p/n-Übergang eingebettet und daher wird ein elektrisches Feld aufgrund eines aufgebauten Potentials an die Quantentrogschicht 403 angelegt, ohne daß irgendeine Spannung an die Elektroden 409 und 410 gelegt ist. Demgemäß wird, wenn an die Elektrode 410 eine Spannung von +1 V angelegt wird, das Energieband in der Quantentrogschicht flach.
Das wie vorstehend beschrieben auf Versuchsbasis hergestellte Bauelement zeigt bei 5 bis 10 mA Laserschwingung. In diesem Fall zeigt das erhaltene Spektrum eine Einzelmode, was die DFB-Struktur wiederspiegelt. Wenn eine Spannung von -2 bis -3 V an die Elektrode 410 zum Anlegen eines elektrischen Felds angelegt wird, und zwar während einer Laserschwingung mit einer optischen Ausgangsleistung von 5 mW, wie durch Verbinden der Elektrode 409 zum Anlegen eines elektrischen Felds mit Masse und durch Anlegen von + 1V an die Elektrode 410 erzielt, hört die Laserschwingung auf und die optische Ausgangsleistung wird auf Null verringert. Dieses Umschalten erfolgt sehr schnell, in 2 bis 3 ps. Außerdem ist der spektrale Chirpeffekt in diesem Fall extrem klein und stimmt exakt mit dem Chirpeffekt aufgrund einer Modulationsgrenze überein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 5A und 5B veranschaulicht. Dieses Ausführungsbeispiel weist eine Struktur auf, die einem Heterobipolartransistor mit zweidimensionalem Elektronengas mit einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor entspricht. Nachdem eine p-GaAlAs- Schicht 502, eine modulationsdotierte aktive Schicht 503 mit Mehrfachguantentrog, eine n-GaAlAs-Schicht 503 und eine p-GaAs-Schicht 505 auf ein p-GaAs-Substrat 501 aufgewachsen sind, wird eine Emitterelektrode 507 hergestellt. Die modulationsdotierte, aktive Schicht 503 mit Mehrfachquantentrog weist, wie im Detail im Kreis in Fig. 5B dargestellt, eine periodische Struktur mit Quantentrogschichten, von denen jede aus einer Schicht 503b aus undotiertem Ga0,9Al0,1As und einer Schicht 503c aus n-dotiertem GaAs besteht, und Sperrschichten 503a aus n-dotiertem Ga0,7Al0,3As auf. D.h., daß jede Quantentrogschicht aus zwei Materialien mit unterschiedlicher Bandlückeenergie besteht und daß das GaAs mit der kleineren Bandlückeenergie mit einem n-Fremdstoff dotiert ist. Diese Struktur entspricht Fig. 6H.
Danach werden die Emitterelektrode 507 und das p-GaAs 505 in den anderen Bereichen als dem oben genannten entfernt, eine Basiselektrode 508 wird ausgebildet und eine Kollektorelektrode 509 wird auf der Unterseite angebracht. Bei diesem Bauelement wird das Anlegen eines elektrischen Felds an den Mehrfachquantentrog abhängig vom Vorliegen oder Fehlen einer an die Kollektorelektrode 509 angelegten Spannung ausgeführt. Ladungsträgerinjektion in den Mehrfächquantentrog wird durch die Emitter- und Basiselektrode ausgeführt und es wird eine Modulation der Intensität der Laserausgangsleistung ähnlich der Modulation beim vorstehend genannten Ausführungsbeispiel erzielt.
Abweichend von den Formen der Quantentrogstruktur, wie sie bei den vorstehenden drei Ausführungsbeispielen dargestellt sind, ist eine Vielzahl von Quantentrogstrukturen anwendbar. Anwendbare Formen von Quantentrogstrukturen sind jeweils in den Fig. 6A bis 6H dargestellt. Jede der Figuren zeigt die Kante des Leitungsbandes, wenn ein elektrisches Feld an die Quantentrogstruktur angelegt wird. Um Schwierigkeiten zu vermeiden, ist in jeder Figur einer der Quantentröge dargestellt. All diese Strukturen sind für die jeweiligen in den Fig. 1, 4 5A und 5B dargestellten Ausführungsbeispiele extrem wirkungsvoll.
Fig. 7 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem jedes der vorstehend genannten Halbleiterlaser-Bauelemente gemäß der Erfindung auf optische Kommunikation angewandt ist.
An das Halbleiterlaser-Bauelement 707 sind eine Ladungsträgerinjektion-Elektrode 708 und ein Signalgenerator für ein angelegtes elektrisches Feld 709 angeschlossen. Durch das optische Bauelement 707 moduliertes Laserlicht 730 wird durch eine optische Faser 731 übertragen und die optische Ausgangsinformation 732 aus der Faser wird durch einen optischen Detektor 706 in ein elektrisches Signal umgesetzt, das von einem Empfänger 705 erkannt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, eine Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Gbit/s und eine Faserlänge von 40 km zu realisieren.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf ein gewöhnliches Doppelhetero-Halbleiterlaser-Bauelement beschrieben wurde, ist zu beachten, daß andere Halbleiterlaser-Bauelemente anwendbar sind, einschließlich eines Halbleiterlaser-Bauelements mit vergrabener Heterostruktur, eines Halbleiterlaser- Bauelements mit verteilter Bragg-Reflexion, eines Halbleiterlaser-Bauelements mit verteilter Rückkopplung und dergleichen.

Claims

1. Halbleiter-Laservorrichtung, umfassend einen aktiven Bereich (103) mit einem Potentialtopf, eine Einrichtung (107, 108) zum Injizieren von Ladungsträgern in den aktiven Bereich (103), um Lichtstrahlung zu erzeugen, einen Resonator zur Erzeugung von Laserlicht aus der Lichtstrahlung, und eine Einrichtung (109, 110) zum Anlegen eines elektrischen Feldes an den aktiven Bereich (103), um die optische Ausgangsleistung des Lasers zu modulieren, dadurch gekennzeichnet, daß der Potentialtopf einen Bereich umfaßt, der die Bedingung der Ladungsneutralität für freie Ladungsträger nicht erfüllt, so daß

(n&sub0; + n&sub1;) - (p&sub0; + p&sub1;) > 1 10¹&sup8; cm&supmin;³,

wobei n&sub1; und p&sub1; die injizierten Elektronen- bzw. Löcherdichten sowie n&sub0; und p&sub0; die Elektronen- bzw. Löcherdichten im nicht-injizierten Zustand bezeichnen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Bereich, der die Bedingung der Ladungsneutralität für freie Ladungsträger nicht erfüllt, durch selektives Einbringen von Störstoff eines Leitungstyps in den Potentialtopf oder in dessen Nähe im aktiven Bereich (103) gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Störstoff des Leitungstyps ein n-Störstoff ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Feld in einer solchen Richtung anliegt, daß der Abstand zwischen der Position der in dem Potentialtopflokalisierten Elektronen und derjenigen der in dem Potentialtopflokalisierten Löcher zunimmt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Nichterfüllung der Bedingung der Ladungsneutralität für freie Ladungsträger durch eine Asymmetrie in der Form des Potentialtopfes hergestellt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die optische Ausgangsleistung durch das anliegende elektrische Feld moduliert wird, während ein im wesentlichen konstanter Aussteuerstrom nahe dem für die Ausstrahlung von Laserlicht geltenden Schwellenstrom injiziert wird.

7. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 6, wobei der aktive Bereich (103) eine Struktur aufweist, bei der der Abstand zwischen der Position von Elektronen und derjenigen von Löchern in dem Potentialtopf durch das anliegende elektrische Feld variiert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung (109, 110) zum Anlegen des elektrischen Feldes die räumliche Überlappung zwischen den die Elektronen bzw. die Löcher beschreibenden Wellenfunktionen verändert und dadurch die Lichtstrahlung aufgrund von Ladungsträger-Rekombination steuert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Ladungsträger-Schwellendichte für die Laseroszillation des aktiven Bereichs (103) einen Wert aufweist, bei dem keine effektive Maskierung des anliegenden elektrischen Feldes auftritt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Resonator eine Spaltungsfläche oder ein auf einer Lichtleiterschicht angeordnetes Gitter nahe mindestens einer Seite der Schicht des aktiven Bereichs umfaßt.