DE69426796T2 - Lichtmodulator mit Elektroabsorption - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf optische Modulatoren mit Elektroabsorption und insbesondere auf die Art derartiger Modulatoren, die in Sperrichtung vorgespannte Mehrquantentopf- (MQW-) Strukturen beinhalten, und sie befaßt sich mit Sättigungseffekten, die bei derartigen Modulatoren häufig auftreten.
• Für die Zwecke dieser Beschreibung wird eine Unterscheidung zwischen einer Mehrquantentopf- (MQW-) Struktur aus ineinander verschachtelten Quantentopf-Schichten und Sperrschichten einerseits und einer Supergitter-Struktur andererseits getroffen, die in ähnlicher Weise aus verschachtelten Quantentopf-Schichten und Sperrschichten besteht. Die Unterscheidung besteht darin, daß in einer MQW-Struktur die Sperrschichten dick genug sind, um irgendeine wesentliche Bandstruktur-Wechselwirkung zwischen benachbarten Quantentopf-Schichten auszuschließen, während in einer Supergitter-Struktur die Sperrschichten speziell und absichtlich dünn genug sind, um eine Wechselwirkung zu schaffen, die ausreicht, um eine Minibandstruktur zu erzeugen.
• Sättigungseffekte, die bei Elektroabsorptions-MQW-Modulatoren beobachtet wurden, ergeben sich aus der langsamen Auslösung von durch Photonen erzeugten Trägern aus den in Sperrichtung vorgespannten Quantentöpfen. Es wird angenommen, daß diese Effekte dazu neigen, in Halbleitersystemen stärker ausgeprägt zu sein, wie zum Beispiel in InGaAsP/lnp- und InGaAs/lnp-Systemen, bei denen die Valenzband-Stufen auf beiden Seiten der Quantentopf-Schichten beträchtlich größer als die entsprechenden Leitungsbandstufen sind. Eine Veröffentlichung von B. W. Takasawi et al. mit dem Titel "Observation of Separate Electron and Hole Escape Rates in Unbiased Strained InGaAsP Multiple Quantum Well Laser Structures", Applied Physics Letters, 62 (20), 17. Mai 1993, Seiten 2525-7 beschreibt Messungen, die durchgeführt wurden, um die Auslösungszeiten von durch Licht erzeugten Elektronen und Löchern abzuschätzen, die in einer Mehrquantentopf-Struktur erzeugt werden, die Quantentöpfe umfaßt, die aus InGaAsP hergestellt und mit Sperrschichten verschachtelt sind, die aus lnP hergestellt sind. Die Analyse zeigt, daß in diesem InGaAsP/lnP-Halbleitersystem die Lochauslösungszeiten beträchtlich länger als die entsprechenden Elektronenauslösungszeiten sind, daß jedoch die Lochauslösungszeiten von ungefähr 18 ns im Fall von Beispielen mit unbelasteten Quantensenken auf ungefähr 10 ns im Fall von Beispielen verringert werden können, bei denen die Quantentopf-Zusammensetzung so gewählt ist, daß die Quantentöpfe auf ungefähr 1, 2% Kompression gebracht wurden, während sich eine Verringerung auf ungefähr 13 ns im Fall von Beispielen ergab, bei denen die Quantentopf-Zusammensetzung stattdessen so gewählt ist, daß die Quantentöpfe einer Zugbelastung ausgesetzt werden. Diese Verringerung der Lochauslösungszeiten, die thermisch unterstützten Tunnelungseffekten über höhere Energiepegel zugeordnet werden (ein leichtes Loch im Falle von durch Kompression beanspruchten Quantentöpfen und ein schweres Loch im Falle von denjenigen, die einer Zugbelastung unterworfen sind) hat eindeutig eine Wirkung bei der Verbesserung von Sättigungsproblemen bis zu einem gewissen Ausmaß, wobei jedoch immer noch eine Lochauslösungszeit verbleibt, die für viele Anwendungen unzweckmäßig lang ist.
• Die vorliegende Erfindung ist auf die Erzielung einer erheblich weitergehenden Verringerung in Lochauslösungszeiten gerichtet.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Elektroabsorptions-Modulator mit einem Substrat aus einem Material mit einer ersten Zusammensetzung geschaffen, das einen Satz von epitaxial aufgewachsenen Schichten trägt, die eine p-i-n-Architektur bilden, die eine Mehrquantentopf-Struktur mit einer Vielzahl von Quantentopf- Schichten eines Materials mit einer zweiten Zusammensetzung umfaßt, wobei diese Quantentopf-Schichten mit Sperrschichten aus einem Material mit einer dritten Zusammensetzung verschachtelt sind, wobei die Sperrschichten dick genug sind, um irgendeine wesentliche Bandstruktur-Wechselwirkung zwischen benachbarten Quantentopf- Schichten zu verhindern, wobei dieser Modulator dadurch gekennzeichnet ist, daß das Material mit der dritten Zusammensetzung eine kleinere unbelastete Gitterkonstante als das Material der ersten Zusammensetzung hat, wodurch die Sperrschichten einer Zugbeanspruchung ausgesetzt werden, und daß das Material mit der zweiten Zusammensetzung eine größere unbelastete Gitterkonstante als das Material mit der ersten Zusammensetzung aufweist, so daß die Quantentopf-Schichten einer Kompressionsbelastung ausgesetzt sind.
• Es folgt eine Beschreibung einer Elektroabsorptions-Modulators, der die vorliegende Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform verwirklicht. Dieser Beschreibung ist eine Erläuterung einer Idee für den Grund der Verringerung der Lochauslösungszeiten vorangestellt, die sich bei der Struktur ergeben. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
• Fig. 1 und 2 Bandstruktur-Diagramme sind, und
• Fig. 3 ein schematischer Querschnitt des Elektroabsorptions-Modulators ist, die dessen Schichtstruktur zeigt.
• Fig. 1 zeigt die Bandstruktur einer Einzel-Quantentopfes, in der die durchgezogene Linie 10 das Leitungsband zeigt und die Elektronenenergie-Diskontinuitäten an den Grenzen des Quantentopfes erkennen läßt, während die durchgezogene Linie 11 das Valenzband zeigt und die Lochenergie-Diskontinuitäten an diesen Begrenzungen zeigt. Der vertikale Abstand zwischen den durchgezogenen Linien 10 und 11 zeigt den Bandabstand, der in dem Quantentopf kleiner als in dem Sperrschicht-Material ist, das auf beiden Seiten des Quantentopfes liegt. Die Energie-Diskontinuitäten in dem Leitungsband sind so dargestellt, daß sie beträchtlich kleiner als die in dem Valenzband sind, was die Situation ist, die beispielsweise für eine belastungsfreie lnGaAsP/InP-Quantentopf-Struktur gilt, bei der die Quantentöpfe aus InGaAsP hergestellt sind und die Sperrschichten aus InP hergestellt sind. Es ist diese Verschiedenheit der Energie-Diskontinuitäten zwischen den Leitungs- und Valenzbändern in Verbindung mit der erheblichen Energie des festgehaltenen Elektrons, die für den großen Unterschied zwischen Elektronenauslösungszeiten, die relativ schnell sind, und Lochauslösungszeiten verantwortlich ist.
• Wenn das Material des Quantentopfes mit der gleichen Dicke aus einer anderen Zusammensetzung ersetzt wird, die eine andere unbelastete Gitterkonstante jedoch den gleichen Bandabstand aufweist, so ändert sich die Bandstruktur. Insbesondere steigen, wenn das neue Quantentopf-Material eine größere unbelastete Gitterkonstante hat, die die Quantentopf-Schicht unter Kompressionsbelastung bringt, die Diskontinuitäten in dem Leitungsband in gewisser Weise als Ergebnis der Vertiefung des Elektronentopfes an, wie dies durch die strichpunktierte Linie 12 dargestellt ist. Weil der Bandabstand des neuen Quantentopf-Materials gleich dem des ursprünglichen Quantentopf-Materials ist, ergibt sich eine komplementäre Änderung der Diskontinuitäten in dem Valenzband, wodurch die tiefste Bandkante in diesem invertierten Topf um einen äquivalenten Betrag flacher gemacht wird, wie dies durch die strichpunktierte Linie 13 gezeigt ist. Diese tiefste Bandkante ist die Bandkante von schweren Löchern; leichte Löcher befinden sich auf einem etwas flacheren Pegel, der durch die gestrichelte Linie 14 dargestellt ist. (Die Bandkanten für schwere Löcher und leichte Löcher befinden sich bei unbelastetem Material auf der gleichen Energie).
• Wenn andererseits das neue Quantentopf-Material eine kleinere unbelastete Gitterkonstante haben würde, was dazu führt, daß der Quantentopf einer Zugbelastung (anstelle einer Kompressionsbelastung) ausgesetzt wird, und wenn die Zusammensetzung weiterhin so gewählt sein würde, daß angenähert der Leitungsband-zu- Schwere-Löcher-Bandabstand beibehalten wird, so würde der Elektronentopf in dem Leitungsband etwas flacher gemacht (nicht gezeigt); der Topf in dem Valenzband für schwere Löcher würde um einen äquivalenten Betrag etwas tiefer gemacht worden sein (nicht gezeigt), wodurch der gleiche Bandabstand aufrechterhalten wird, und der entsprechende Topf in dem Valenzband für leichte Löcher würde um einen beträchtlich größeren Betrag tiefer gemacht worden sein (nicht gezeigt). Diese Änderungen sind in Fig. 1 nicht gezeigt, die lediglich die unbelastete Bandstruktur mit der vergleicht, die sich ergibt, wenn das Quantentopf-Material einer Kompressionsbelastung unterworfen wird, wobei die Quantentopf-Schicht in beiden Fälle zwischen unbelasteten Sperrschichten begrenzt ist. Äquivalente Ergebnisse sind jedoch in der Bandstruktur nach Fig. 2 gezeigt, weil diese die unbelastete Bandstruktur, die durch die Linien 10 und 11 angezeigt ist, mit der vergleicht, die sich ergibt, wenn das Quantentopf-Material einer Kompressionsbelastung ausgesetzt wird, während das Sperrschicht-Material einer Zugbelastung ausgesetzt ist. In diesem Fall ist das neue Quantentopf-Material das gleiche neue Quantentopf-Material wie das nach Fig. 1, während das neue Sperrschichtmaterial eine unterschiedliche Zusammensetzung mit einer kleineren unbelasteten Gitterkonstante aufweist, als das ursprüngliche Sperrschicht-Material, so daß neue Material einer Zugbelastung ausgesetzt ist. Die Zusammensetzung ist weiterhin so gewählt, daß angenähert der Leitungsband-zu- Schwere-Löcher-Bandabstand aufrechterhalten bleibt. Das Ergebnis dieser Zugbeanspruchung bestand in einer Vergrößerung der Leitungsband-Diskontinuitäten, wie dies durch die strichpunktierte Linie 25 dargestellt ist, einer Verringerung der Valenzband- Diskontinuitäten für schwere Löcher um einen angenähert gleichen Betrag, wie dies durch die strichpunktierte Linie 26 dargestellt ist, und in einer Verringerung der Valenzband-Diskontinuitäten bezüglich leichter Löcher um einen gleichen Betrag, wie dies durch die gestrichelte Linie 27 dargestellt ist. Verglichen mit der Energiepegel-Diskontinuität in dem Valenzband des unbelasteten Materials, wie dies durch die Linie 11 dargestellt ist, bedeutet die relativ enge Nähe zwischen dem Energiepegel 13 schwerer Löcher in dem einer Kompressionsbelastung ausgesetzten Quantentopf- Material und dem Energiepegel 27 leichter Löcher in dem einer Zugbelastung unterworfenen Sperrschicht-Material, daß durch Licht erzeugte Löcher, die in dem Quantenschicht-Material erzeugt werden, in der Lage sind, wesentlich einfacher in das Sperrschicht-Material durch Umwandlung von schweren Löchern in leichte Löcher entweichen oder ausgelöst zu werden, als bei der entsprechenden unbelasteten Struktur (für die eine Umwandlung nicht erforderlich ist).
• Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist zu erkennen, daß der Energiepegel der leichten Löcher so dargestellt ist, daß er sich auf einem tieferen Pegel in dem Sperrschicht- Material als in dem Quantentopf-Material befindet, doch sollte dies nicht als Angabe dafür verstanden werden, daß dies die Beziehung ist, die notwendigerweise in der Praxis vorherrscht.
• Es sei weiterhin bemerkt, daß es auf dem Gebiet von Laserdioden bekannt ist, eine MQW-Struktur zu haben, bei der die Quantentöpfe einer Kompressionsbelastung ausgesetzt sind, während die Sperrschichten, mit denen sie verschachtelt sind, einer Zugbelastung ausgesetzt sind. Bei derartigen Lasern ist das Ausmaß der Zugbelastung in den Sperrschichten typischerweise sehr klein verglichen mit der Größe der Kompressionsbelastung in den Quantentöpfen. Dies ergibt sich daraus, daß die Zugbelastung in den Sperrschichten vorgesehen ist, um die Kompressionsbelastung in den Quantentöpfen zu kompensieren. Die Sperrschichten sind so ausgelegt, daß sie beträchtlich dicker als die Quantentopf-Schichten sind, so daß ein Ausgleich bei einer entsprechend niedrigeren Belastung in den Sperrschichten erzielt wird, was das Aufwachsen des Materials erleichtert. Dies steht im Gegensatz zu der Situation im vorliegenden Fall, die sich auf einen Elektroabsorptions-Modulator bezieht, bei dem die Zugbelastung in den Sperrschichten nicht für den Zweck der Belastungskompensation eingefügt ist, sondern stattdessen für seine Wirkung in einer nützlichen Modifikation der Bandstruktur verwendet wird. Die Zugbelastung ist in diesem Falle höher, als sie bei belasteten MQW-Lasern typisch ist, wobei sie typischerweise zumindest 0,5%, allgemein mehr als 0,8% und vorzugsweise ungefähr 1,0% beträgt, wenn die Wachstumsbedingungen dies zulassen.
• In Fig. 3 ist eine spezielle Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt gezeigt. Die erforderliche Schichtstruktur wird epitaxial auf einem InP-Substrat 30 vom n- Leitungstyp aufgewachsen, das mit Schwefel bis zu einer Konzentration von ungefähr 10¹&sup8; cm&supmin;³ n-dotiert ist. Auf der Oberseite hiervon wird eine Pufferschicht 31 vom n- Leitungstyp aufgewachsen, die auf 5 · 10¹&sup7; cm&supmin;³ dotiert ist und ungefähr 0,5 um dick ist. Hierauf folgt eine 0,2 um dicke Schicht 32 aus undotiertem gitterangepaßten InGaAsP mit einer derartigen Zusammensetzung, daß sich ein Bandabstand von ungefähr 1,05 eV ergibt, wodurch die untere Hälfte des Wellenleiters gebildet wird. Als nächstes wird die undotierte MQW-Struktur aufgewachsen, die etwa vier 8 nm dicke InGaAsP-Quantentöpfe mit einer derartigen Zusammensetzung umfaßt, daß sich ein Bandabstand von ungefähr 0,78 eV, abhängig von der erforderlichen Betriebswellenlänge, mit einer Kompressionsbelastung von 1% ergibt, wobei die Quantentöpfe durch 8 nm dicke Sperrschichten 35 aus einer derartigen Zusammensetzung getrennt sind, daß sich ein Bandabstand zwischen den Elektronen und den leichten Löchern von ungefähr 1,0 eV und eine Zugbelastung von 1% ergibt, wobei diese Quantentöpfe durch zwei weitere 4 nm dicke Schichten 36 aus dem gleichen Material umschlossen sind. Dann wird eine zweite Wellenleiterschicht 37, die identisch zu der ersten ist, aufgewachsen, gefolgt von einer InP-Schicht 38 vom p-Leitungstyp, die auf 5 · 10¹&sup7; cm³ 3 dotist ist und ungefähr 1,5 um dick ist, die durch eine 0,2 um dicke unbelastete InGaAs-Schicht 39 zur Kontaktierung abgedeckt ist. Ein querverlaufender Wellenleiter wird in der Struktur mit Hilfe üblicher Maßnahmen entweder in der Form eines (nicht gezeigten) Wulstes oder Steges, der bis zum Boden der oberen InP-Schicht oder tiefer geätzt ist, wie dies bei einer ausreichenden optischen Begrenzung erforderlich ist, oder in Form einer vergrabenen (nicht gezeigten) Heterostruktur hergestellt ist, bei der ein semiisolierendes Material, beispielsweise mit Fe dotiertes InP, um einen tief geätzten Wulst oder Steg herum erneut aufgewachsen wird (nicht gezeigt). Das Material außerhalb des Wulst- oder Stegbereiches wird durch eine Schicht aus SiO&sub2; oder aus ähnlichem Material isoliert (nicht gezeigt). Metallkontakte 40 werden mit Hilfe üblicher Maßnahmen auf die oberen und unteren Oberflächen aufgebracht. Um die elektrische Kapazität zu verringern, ist der obere Kontakt mit einem derartigen Muster versehen, daß sich ein Anschlußkissen mit verringerter Fläche ergibt, mit dem eine (nicht gezeigte) externe Leitung durch Kontaktieren verbunden werden kann. Das Bauteil wird dann auf eine Länge von ungefähr 160 um oder so gespalten, wie dies für eine geeignete Dämpfung in dem "Aus"-Zustand erforderlich ist, und die untere Oberfläche des Chips wird mit einer geeigneten leitenden Befestigung (nicht gezeigt) verbunden. (Nicht gezeigte) Eingangs- und Ausgangs-Lichtleitfasern werden mit dem sich in Querrichtung erstreckenden Wellenleiter ausgerichtet, um das Licht abzustrahlen und zu sammeln. Das Bauteil wird als ein Modulator mit einer Sperrvorspannung im angenäherten Bereich von 2-5 V und einem Spannungshub von 2-4 V betrieben.

Claims (5)

1. Lichtmodulator mit Elektroabsorption, mit einem Substrat (30) aus einem eine erste Zusammensetzung aufweisenden Material, das einen Satz von epitaxial aufgewachsenen Schichten (31-39) trägt, die eine p-i-n-Architektur bilden, die eine Mehrquantentopf-Struktur mit einer Vielzahl von Quantentopf-Schichten aus einem eine zweite Zusammensetzung aufweisenden Material umfaßt, wobei diese Quantentopf-Schichten (34) mit Sperrschichten (35, 36) aus einem eine dritte Zusammensetzung aufweisenden Material verschachtelt sind, wobei die Sperrschichten dick genug sind, um irgendeine wesentliche Bandstruktur-Wechselwirkung zwischen benachbarten Quantentopf-Schichten auszuschließen, wobei der Modulator dadurch gekennzeichnet ist, daß das Material mit der dritten Zusammensetzung eine kleinere unbelastete Gitterkonstante als die des Materials mit der ersten Zusammensetzung aufweist, wodurch die Sperrschichten einer Zugbelastung ausgesetzt sind, und daß das die zweite Zusammensetzung aufweisende Material eine größere unbelastete Gitterkonstante als die des Materials mit der ersten Zusammensetzung aufweist, wodurch die Quantentopf-Schichten einer Kompressionsbelastung ausgesetzt werden.

2. Modulator mit Elektroabsorption nach Anspruch 1, bei dem die unbelastete Gitterkonstante des Materials mit der ersten Zusammensetzung die des Materials mit der dritten Zusammensetzung um zumindest 0,5% übersteigt.

3. Modulator mit Elektroabsorption nach Anspruch 3, bei dem die unbelastete Gitterkonstante des Materials mit der ersten Zusammensetzung die des Materials mit der dritten Zusammensetzung um zumindest 0,8% übersteigt.

4. Modulator mit Elektroabsorption nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Substrat aus InP hergestellt ist und die Quantentopf-Schichten aus InGaAsP hergestellt sind.

5. Modulator mit Elektroabsorption nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Modulator eine Sperrvorspannungseinrichtung einschließt, die so ausgebildet ist, daß sie eine Sperrvorspannung längs der p-i-n-Architektur der durch das Substrat getragenen Schichten anlegt.