DE1180458B

DE1180458B - Einrichtung zur Erzeugung kohaerenter Strahlung in einem einkristallinen Halbleiter

Info

Publication number: DE1180458B
Application number: DEG39018A
Authority: DE
Inventors: Robert Noel Hall
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1962-10-24
Filing date: 1963-10-24
Publication date: 1964-10-29
Also published as: GB1044586A; BE639066A; NL139425B; NL299675A; SE317453B; US3245002A; FR1385449A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Internat. Kl.:

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Paf. BI. \

Deutsche Kl.: 2If-90

AMz.!

Nummer: 1180458

Aktenzeichen:

Anmeldetag: 24. Oktober 1963

Auslegetag: 29. Oktober 1964

Die Erfindung betrifft die Erzeugung einer angeregten kohärenten Strahlung mit Hilfe von Einrichtungen, die ein Halbleiterelement enthalten.

Angeregte kohärente Lichtstrahlung, die nicht nur sichtbar, sondern auch infrarot sein oder im Mikrowellengebiet liegen kann, wurde bereits mit Hilfe von Rubinkristallen und ähnlichen Substanzen sowie mit Hilfe von Gasen erzeugt. Eine derartige Emission erfolgt aber mit einem verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad und kann nur mit Hilfe äußerst komplizierter Apparaturen erzielt werden. Es ist ferner ein Vorschlag bekannt, eine Einrichtung zur Erzeugung einer selektiv fluoreszenten kohärenten Strahlung mit einem Festkörper-Grundkörper aus einem einkristallinen Halbleiter auszubilden, der direkte Übergänge ermöglicht. Dieser Vorschlag beinhaltet jedoch nur theoretische Untersuchungen, ob ein optischer Sender dieser Art funktionsfähig sein könnte.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Erzeugung von angeregter kohärenter Strahlung anzugeben, die verhältnismäßig einfach ausgebildet ist und einen großen Wirkungsgrad besitzt.

Eine Einrichtung zur Erzeugung einer selektiv fluoreszenten kohärenten Strahlung in einer einkristallinen, direkte Übergänge ermöglichenden Halbleiterdiode ist gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiode zwischen einem ersten η-Bereich mit entarteter n-Leitfähigkeit und einem zweiten p-Bereich mit entarteter p-Leitfähigkeit einen sehr dünnen dritten mittleren Bereich mit stark herabgesetzter Dotierung aufweist, daß ihre geometrische Form so gewählt ist, daß parallele Oberflächen davon einen optischen Resonator bilden, und daß ein nicht gleichrichtender elektrischer Kontakt mit jedem der beiden Außenbereiche und eine Einrichtung zum Zuführen eines Gleichstromes zur "lalbleiterdiode vorgesehen ist, der zur Vorspannung des mittleren Bereiches in der Durchlaßrichtung ausreicht, um in diesem mittleren Bereich eine Inversion der Besetzungsverteilung einzuleiten und damit eine Emission von selektiv fluoreszenter kohärenter Strahlung durch mindestens eine der parallelen Oberflächen beziehungsweise Oberflächenbereiche zu bewirken.

Wenn an einer derart ausgebildeten Diode eine Vorspannung in Durchlaßrichtung zur Erzeugung hoher Stromdichten angelegt wird, wird seitlich durch die polierten Oberflächen eine kohärente elektromagnetische Strahlung emittiert. Diese Strahlung liegt in einem engen Wellenlängenbereich und wird mit einem hohen Wirkungsgrad erzeugt. Gemäß einem Einrichtung zur Erzeugung kohärenter Strahlung in einem einkristallinen Halbleiter

Anmelder:

General Electric Company, Schenectady, N. Y

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Phys. F. Endlich, Patentanwalt,

München 8, RosenheimerStr. 46

Als Erfinder benannt:

Robert Noel Hall, Schenectady, N. Y.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 24. Oktober 1962

(232 846)

bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung werden einen direkten Übergang ermöglichende halbleitende Mehrstoffkörper verwandt, von denen kohärente sichtbare und infrarote Lichtstrahlung emittiert wird.

An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer Einrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer Betriebsschaltung für die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung, F i g. 3 eine graphische Darstellung der Emission einer Einrichtung der in F i g. 1 dargestellten Art, aus der das Vorhandensein eines Schwellwerts für eine angeregte kohärente Emission ersichtlich ist,

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Wellenform der Emission einer Einrichtung der in F i g. 1 dargestellten Art, aus der die Kohärenz ersichtlich ist, F i g. 5 ein verallgemeinertes Niveaudiagramm für

die verwandten halbleitenden Materialien, das zur Erläuterung des physikalischen Phänomens dient, auf dem die Arbeitsweise von Einrichtungen gemäß der Erfindung beruht, und

F i g. 6 und 7 schematische Darstellungen anderer Ausführungsformen von Einrichtungen gemäß der Erfindung.

F i g. 1 zeigt eine Halbleiterdiode gemäß der Erfindung, die zur Emission von angeregter kohärenter Strahlung geeignet ist. Diese Einrichtung enthält

«9 709/12+

einen Kristall 1 aus halbleitendem Material, der einen entartet dotierten p-leitenden Bereich 2 und einen entartet dotierten η-leitenden Bereich 3 aufweist, welche Bereiche durch einen pn-übergang 4 getrennt sind. Ein nicht gleichrichtender Kontakt besteht zwischen dem p-leitenden Bereich 2 und einer ersten Elektrode 5 mit Hilfe einer akzeptorartigen oder elektrisch neutralen Lötschicht 6. Eine nicht gleichrichtende Verbindung besteht zwischen dem n-leiten-

materialien für einen direkten Übergang sind ferner beispielsweise Bleisulfid, Bleiselenid und Bleitellurid. In diesen Materialien ist Indium als Donator und überschüssiges Anion als Akzeptor geeignet. Die 5 Wellenlänge der emittierten Strahlung hängt von der Banddifferenz (Energiedifferenz zwischen dem Leitfähigkeitsband und dem Valenzband des ausgewählten Halbleiters) ab.

Sowohl die η-leitenden als auch die p-leitenden

den Bereich 3 und einer zweiten Elektrode 7 mit io Bereiche des Halbleiterkristalls 1 sind mit Donatoren Hilfe einer donatorartigen oder elektrisch neutralen bzw. Akzeptoren als Aktivatoren dotiert, um darin Lötschicht 8. Elektrodenanschlüsse 9 und 10 sind mit
Elektroden 5 bzw. 7 durch Verschweißen, Hartlöten

od. dgl. verbunden.

eine Entartung hervorzurufen. Im Sinne dieser Beschreibung kann ein Körper als entartet η-leitend betrachtet werden, wenn er eine ausreichende Konzen-Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann die Halbleiter- 15 tration von überschüssigen Donatorträgern oder als diode zur Emission angeregter kohärenter Strahlung Donator dienenden Verunreinigungen enthält, um durch das Anlegen einer Vorspannung in Durchlaß- dessen Fermi-Niveau auf einen Energiebetrag anzurichtung aktiviert werden, beispielsweise durch die heben, der größer als die minimale Energie des Leit-Verbindung einer Gleichspannungsquelle für hin- fähigkeitsbands im Energiebanddiagramm des halbreichend hohe Stromstärken, um die Erzeugung ko- 20 leitenden Materials ist. Bei einem p-leitenden HaTbhärenter Strahlung zu verursachen. In F i g. 2 ist ein leiterkörper oder Halbleiterbereich bedeutet die Ent-Impulsgenerator 15 schematisch dargestellt, der mit artung, daß eine ausreichende Konzentration von überder Diode 1 über einen in Reihe geschalteten Be- schüssigen Akzeptorträgern oder als Akzeptor diegrenzungswiderstand 16 verbunden ist. Ferner kann nenden Verunreinigungen vorhanden ist, um das eine Temperatursteuereinrichtung 17 vorgesehen sein, 25 Fermi-Niveau auf eine Energie herabzusetzen, die um die Temperatur der Diode 1 so zu regulieren, daß niedriger als die maximale Energie des Valenzbands die Stromstärke geändert wird, bei der der Schwell- im Energiebanddiagramm des halbleitenden Matewert für die angeregte kohärente Emission erreicht rials ist. Eine Entartung kann im allgemeinen erzielt wird. werden, wenn die überschüssige negative Leitfähig-

Der Halbleiterkörper 1 ist im wesentlichen ein Ein- 30 keitsträgerkonzentration 10¹⁷/cm³ überschreitet oder kristall, der derart zugeschnitten ist, daß zwei gegen- wenn die überschüssige positive Leitfähigkeitsträgerüberliegende Seitenflächen 11 und 12 exakt parallel konzentration 10¹⁸/cm³ überschreitet. Das Fermiin Ebenen poliert werden können, die senkrecht zu Niveau eines derartigen Energiebanddiagramms entder Ebene des Übergangsbereichs 4 verlaufen. Diese spricht der Energie, bei der die Wahrscheinlichkeit Parallelität ist notwendig, damit stehende Wellen in 35 für die Anwesenheit eines Elektrons in einem spedem Halbleiterkristall zum Zwecke der Erzielung ziellen Zustand gleich 1: 2 ist. einer kohärenten Strahlung mit hohem Wirkungs- Die Materialien zur entarteten Dotierung der n-

grad aufgebaut werden können. Um ein Beispiel für und p-leitenden Bereiche der verschiedenen HaIbdas Ausmaß der notwendigen Parallelität zu geben, leiter, mit denen Einrichtungen gemäß der Erfindung sei von einer gemäß der Erfindung hergestellten Ein- 40 hergestellt werden können, hängen von dem verrichtung erwähnt, daß ein Ausmaß von Parallelität wandten halbleitenden Material ab und müssen nicht festgestellt wurde, die mit der Aufrechterhaltung der i_n jedem Falle dieselben sein, obwohl diese Mate-Abmessung von 0,5 mm zwischen den beiden Flächen rialien derselben Klasse angehören können. So sind mit einer Toleranz von V10 Mikron vergleichbar ist, für alle Mehrstoffkörper der III. und V. Gruppe obwohl diese Zahl nur als Beispiel zu verstehen ist 45 Schwefel, Selen und Tellur als Donatoren; Zink, und sich in Abhängigkeit von verschiedenen Mate- Kadmium, Quecksilber und Magnesium als Akzeprialien ändern kann. toren geeignet, während andererseits die Elemente

Das Material, aus dem der Halbleiterkristall 1 aus- Zinn, Germanium und Silizium entweder als Donageschnitten wird, kann im allgemeinen aus einem toren oder als Akzeptoren dienen können, was von Mehrstoffhalbleiterkörper oder einer Legierung von 5° dem speziellen Halbleiter und dem Herstellungsver-Mehrstoffhalbleiterkörpern der III. und V. Gruppe fahren abhängt. Zum Beispiel sind sie alle Akzepdes Periodischen Systems der Elemente bestehen, toren in Galliumantimonid, das aus einer stöchiowelche Materialien als Halbleiter mit direktem Über- metrischen Schmelze gezogen ist. In Indiumantigang (also Halbleiter, die direkte Übergänge von monid ist Zinn ein Donator, während Germanium Elektronen zwischen dem Valenz- und dem Leit- 55 und Silizium Akzeptoren sind. In den restlichen HaIbfähigkeitsband ermöglichen) bezeichnet werden. Da- leitern mit direktem Übergang der Gruppe AIII/B V zu gehören beispielsweise Galliumarsenid, Indium- sind Zinn, Germanium und Silizium alle Donatoren, antimonid, Indiumarsenid, Indiumphosphid, Gallium- Irgendein Donator- und Akzeptorpaar, das eine ausantimonid und Legierungen davon sowie einen direk- reichend hohe Löslichkeit für das zur Herstellung des ten Übergang ermöglichende Legierungen anderer 60 Kristalls 1 verwandte Material besitzt, kann dazu verMaterialien wie Legierungen von Galliumarsenid und wandt werden, die entartet dotierten Bereiche 2 und 3 Galliumphosphid (das keine direkten Übergänge ge- in der Einrichtung gemäß F i g. 1 auszubilden, stattet), in dem Bereich von 0 bis 50 Atomprozent Als Ausführungsbeispiel einer Einrichtung gemäß

von Galliumphosphid. Hinsichtlich einer eingehenden der Erfindung wurde eine Einrichtung, etwa wie die Diskussion von einen direkten Übergang ermöglichen- 65 in F i g. 1 dargestellte, aus einem flachen Scheibchen den Halbleitern wird auf einen Artikel von H.Ehren- hergestellt, das aus einem einkristallinen Körper von reich in »Journal of Applied Physics«, Bd. 32, 1961, η-leitendem Galliumarsenid ausgeschnitten wurde, S. 2155, verwiesen. Andere geeignete Halbleiter- der mit etwa 10¹⁸ Atomen/cm³ dotiert war, indem

eine Züchtung aus einer Schmelze von Galliumarsenid mit mindestens 5 · 10¹⁸ Atomen/cm³ Tellur vorhanden war, um die entartete η-Leitfähigkeit zu verursachen. Ein pn-Übergangsbereich wird in einer horizontalen Ebene ausgebildet, indem Zink in alle Oberflächen davon bei einer Temperatur von etwa 1000 ⁰C während etwa einer halben Stunde eindiffundiert wird, wobei ein evakuiertes abgedichtetes Quarzrohr Verwendung findet, das den Kristall aus Galliumarsenid und 10 mg Zink enthält, wodurch ein pnübergang von etwa 1000 A Dicke in einem Abstand von etwa 0,1 mm unter allen Oberflächen des Kristalls 1 hergestellt werden kann. Das Scheibchen wird dann ausgeschnitten und geschliffen, um alle Übergänge bis auf einen zu beseitigen. Nach dem Zuschneiden kann das Scheibchen die typischen Abmessungen von 0,5 mm Dicke und 0,4 · 0,4 mm² Oberflächengröße besitzen. Die Vorderfläche und die hintere Fläche des Kristalls, die senkrecht zu dem pn-übergang verlaufen, werden dann auf optische Glätte zu exakter Parallelität poliert (im Falle der erwähnten Diode aus Galliumarsenid auf eine Parallelität von etwa +0,1 μηι). Wahlweise kann die Parallelität durch eine geeignete Aufspaltung des Kristalls erzielt werden. Die Seitenflächen 13 und 14 werden so zugeschnitten, daß sich eine sich verjüngende Struktur ergibt, worin eine Möglichkeit zu sehen ist, irgendwelche stehenden Querwellen in dem Halbleiterkristall völlig auszuschalten. Wahlweise können sie durch Schleifmittel aufgerauht werden, um dasselbe Ergebnis zu erzielen. Bei dem obenerwähnten GaAS-Kristall ist die Lötschicht 6 aus Akzeptor eine Legierung mit 3 Gewichtsprozent Zink und dem Rest Indium. Die Lötschicht aus dem Donator besteht aus Zinn.

Die Dicke des Übergangsbereichs in dem Kristall 1 beträgt etwa 300 bis 20 000 A, was durch Messung der Übergangskapazität bei fehlender Vorspannung bestimmt werden kann, und sollte vorzugsweise etwa 500 bis 2000 A betragen. Diese Dicke bestimmt den Wirkungsgrad der Lichterzeugung und den Schwellwertstrom für kohärentes Licht und kann die Ausführbarkeit des Betriebs der Diode auf kontiuierlicher Wellenbasis bestimmen. Sie ist ferner wichtig bei der Bestimmung der Betriebstemperatur und der Ausgangsleistung. Phänomenologisch ist die minimale Dicke durch praktische Überlegungen gegeben und kann eine beliebig kleine, aber endliche Abmessung sein, die keinen beträchtlichen quantenmechanischen Tunneleffekt bei Vorspannung in Durchlaßrichtung zuläßt. Die maximale Dicke der Schicht sollte nicht mehr als das Zweifache der längeren der beiden Diffusionslängen für Minderheitsladungsträger auf jeder Seite des Übergangsbereichs überschreiten.

Zum Betrieb wird die in F i g. 1 dargestellte Einrichtung einem Gleichstromimpuls hoher Stromstärke ausgesetzt, z. B. von etwa 5000 bis 50 000 A/cm² für eine Diode aus Galliumarsenid. Die Impulsbreite wird zweckmäßigerweise auf einem Betrag von 1 bis 10 Mikrosekunden gehalten, um eine Überhitzung zu vermeiden. Da festgestellt wurde, daß der Schwellwert für eine angeregte kohärente Lichtstrahlung beispielsweise für eine Diode aus Galliumarsenid von der Temperatur der Diode abhängt, kann es zweckmäßig sein, die Diode auf eine niedrige Temperatur zu bringen, um den Schwellwert für die kohärente Emission zu senken und die Verwendung einer Stromquelle für besonders hohe Stromstärke zu vermeiden. Wenn z. B. eine Diode aus Galliumarsenid in ein Dewar-Gefäß flüssiger Luft auf einer Temperatur von etwa 77 ⁰K eingetaucht wird, tritt der Schwellwert für die kohärente Emission bei etwa 10 000 A/cm² auf und fällt auf weniger als 2000 A/cm² bei 20 ⁰K. Da der Übergangsbereich bei zweckmäßiger Herstellungsweise etwa 0,001 cm² betragen kann, reicht eine Stromimpulsquelle für 10 A bei 77 ⁰K und für 2 A bei 20 ⁰K aus.

ίο Die graphische Darstellung der F i g. 3 zeigt die Abhängigkeit der austretenden Lichtintensität von der Stromdichte, woraus der Schwellwert der angeregten Emission von kohärentem infrarotem Licht von einer Diode aus Galliumarsenid ersichtlich ist, die gemäß F i g. 1 ausgebildet war. Im Bereich A der Kurve in F i g. 3 steigt die Lichtintensität praktisch linear mit der steigenden Stromdichte. Das Licht ist inkohärent. Beim Einfall des Teils B der Kurve in F i g. 3 ist die in Richtung senkrecht zur Oberfläche

ao 11 gemessene Lichtintensität plötzlich nichtlinear anwachsend, und das Licht wird kohärent. Die Kohärenz wird durch Beugungsmuster senkrecht zu der Ebene des Übergangs angezeigt, woraus sich ergibt, daß eine bestimmte Phasenbeziehung zwischen dem von verschiedenen seitlichen Teilen des pn-Übergangsbereichs 4 der Diode emittierten Licht besteht. Wenn die Stromdichte des Impulses weiter erhöht wird, gelangt die Kurve der Abhängigkeit der Lichtintensität von der Stromdichte zu einem Teil C, wonach die Lichtintensität wieder weniger schnell steigt. Das Licht ist jedoch weiterhin kohärent.

In F i g. 4 ist ferner aus den Kurven D und E ersichtlich, daß das von der Diode in F i g. 1 ermittierte Licht kohärent ist. Die Kurven D und E sind mit verschiedenem Maßstab gezeichnet, weshalb das Maximum der Kurve E das 20- bis 50fache desjenigen der Kurve D sein kann. Diese Maßnahme ist erforderlich, um beide miteinander zu vergleichen. Die Kurve D in F i g. 4 gibt die spektrale Verteilung des vom pn-Übergangsbereich 4 der Diode 1 emittierten Lichts wieder, bevor der Schwellwert der kohärenten Strahlung erreicht ist. Wie daraus ersichtlich ist, beträgt die Halbwertsbreite der Bandbreite dieser spektralen Verteilung etwa 150 A. Die Kurve E gibt die spektrale Verteilung des von dem pn-Übergangsbereich 4 der Diode 1 emittierten Lichts wieder, nachdem der Schwellwert der kohärenten Lichtemission erreicht ist. Wie daraus ersichtlich ist, beträgt die Halbwertsbreite etwa 15 A. Der Scheitelwert des kohärent emittierten Lichts ist etwa 20- bis 50mal größer als im Falle der inkohärenten Ausstrahlung. Die Breite der spektralen Verteilungskurve während der Emission von kohärentem angeregtem Licht hängt von der Schwingungsart in dem optischen Resonator ab, der durch die Flächen 11 und 12 der Diode 1 definiert ist, und kann gegebenenfalls aus einem einzigen Maximalwert oder mehreren Maxima bestehen, was von der Schwingungsform oder der Anzahl vorhandener Schwingungsformen abhängt. Die Schwingungsformen, die bei irgendeiner vorgegebenen Ausbildung bestehen können, umfassen diejenigen Schwingungsarten, bei denen eine ganzzahlige Anzahl halber Wellenlängen gleich der Länge des optischen Resonanzraums zwischen den Oberflächen 11 und 12 ist.

Obwohl der Mechanismus der angeregten kohärenten Lichtemission von Mehrstoffkörpern aus HaIblei*~"»naterial mit direktem Übergang bei Einrich-

7 8

tungen gemäß der Erfindung nicht mit der Klarheit großen Vorspannung in Durchlaßrichtung und als einfacherer physikalischer Effekte veranschaulicht Ergebnis der Entartung der n- und p-leitenden Be- oder erklärt werden kann, kann jedoch angenommen reiche der Einrichtungen gemäß der Erfindung und werden, daß diese Emission auf Elektronenübergänge der sehr geringen Dicke des pn-Übergangsbereichs von Band zu Band zwischen Zuständen gleicher 5 erzeugt.

Wellenzahl zurückzuführen ist. Es wird nicht ange- Gemäß der Erfindung besitzen die emittierten

nommen, daß sie von Übergängen zwischen durch Strahlungsquanten mindestens die Energie der Fremdatome induzierten Zwischenbandzuständen Banddifferenz-Charakteristik des Halbleiters, aus abhängt, obwohl es denkbar ist, daß derartige Zu- dem die Diode hergestellt ist, und werden durch die stände vorhanden sein könnten, oder daß in anderen io Anwesenheit eines Energiequants zur Emission ausSystemen derartige Zustände induziert werden können, gelöst, das zumindest einen so hohen Betrag wie der um Übergänge zwischen Fremdatomzuständen oder Betrag der Banddifferenz des Halbleiters besitzt. Fremdatomzuständen zu Bändern zu verursachen, die Ein derartiges Quant kann anfänglich von der sponebenfalls zu einer angeregten kohärenten Strahlung tanen Emission herrühren, die durch die Kurve D in führen könnten. 15 F i g. 4 gekennzeichnet ist, und die in einem gewissen

Bei den bekannten Einrichtungen zur Erzeugung Ausmaß stets vorhanden ist. An dieser Stelle ist das angeregter kohärenter Strahlung war eine selektive Folgende zu beachten. Obwohl der Übergang eines Fluoreszens im allgemeinen das Ergebnis von minde- Elektrons von einem gefüllten Zustand in dem Valenzstens zwei über dem Grundniveau existierenden band zu einem leeren Zustand in dem Leitfähigkeits-Energieniveaus für das angeregte Elektron (beispiels- 20 band zu der Emission eines Energiequants von angeweise bei dem optischen Sender mit drei Niveaus) nähert der Energie der Banddifferenz führt, wird das und hängt manchmal sogar von drei Niveaus über ursprüngliche Quant oder Photon nicht vernichtet, dem Grundniveau des emittierten Elektrons ab (op- sondern besteht weiterhin, da keine energieverbrautische Sender mit vier Niveaus). Die Strahlung wird chende Absorption erfolgt. Es ist ferner zu beachten, durch zwei Eingangsfrequenzen verursacht, nämlich 25 daß die Banddifferenz des Halbleiters beträchtlich erdie Anregungsfrequenz und die Signalfrequenz. Die niedrigt werden kann, verglichen mit derjenigen des Energie der Anregungsfrequenz führt dazu, daß reinen Halbleiters, wenn eine hohe Konzentration Elektronen von dem Grundzustand in ein hohes von Fremdatomen eingebaut wird, die erforderlich Niveau gehoben werden, wonach sie nach einer end- ist, um die Bereiche entartet entsprechend dem gut liehen Zeitspanne in einen metastabilen Zustand mit 30 bekannten Verhalten von schwer dotierten Halbverhältnismäßig langer Lebensdauer abfallen. Nach- leitern zu halten.

dem eine ausreichende Anzahl von Elektronen von Wie bei anderen Einrichtungen für eine selektive

dem Grundzustand angehoben und in den meta- Fluoreszenz wird die Intensität der kohärenten Strahstabilen Zustand abgefallen ist, kann eine Inversion lung durch Erzeugung stehender Wellen in einem der Besetzungsverteilung vorliegen, bei der nur noch 35 optischen Resonator erhöht. In der Einrichtung wenige Atome in dem Grundzustand und eine über- in F i g. 1 umfaßt der Resonator den Übergangswiegende Anzahl von Atomen in dem angeregtem bereich 4 des Körpers des Halbleiters der Gruppe metastabilen Zustand vorliegen. Zu diesem Zeitpunkt III bis V mit direktem Übergang, der beispielsweise kann eine Signalfrequenz mit einer Energie gleich der ein Galliumarsenidkristall sein kann, sowie die un-Energiedifferenz zwischen dem metastabilen Zustand 40 mittelbar angrenzenden Teile der Bereiche 2 und 3 und dem Grundzustand oder einem unmittelbar dar- zwischen der Vorderseite und der Rückseite. Da unterliegenden Zustand einen Übergang von einem diese Flächen auf optische Glätte poliert sind, ist das metastabilen Zustand zu dem Grundzustand oder Reflexionsvermögen der Oberflächen groß und beeinem unmittelbar darunterliegenden Zustand aus- trägt etwa 0,4 oder mehr, so daß ein beträchtlicher lösen. Wenn ein optischer Resonator vorgesehen ist, 45 Anteil des infraroten Lichts, das bei den nach unten so daß eine stehende Welle ausgebildet wird, kann die verlaufenden Übergängen emittiert wird, zurück durch diesen Übergang emittierte Strahlung weitere durch den Übergangsbereich reflektiert wird, woderartige Übergänge anregen und veranlassen, daß durch das weitere Auslösen von nach unten vereine große Anzahl von Übergängen und eine entspre- laufenden Übergängen erfolgt, bis die Emission inchend große Anzahl von Strahlungsquanten erzeugt 50 fraroter Photonen wie im Teil 3 der Kurve in F i g. 3 werden, die in Phase und damit kohärent sind. scharf ansteigt. Eine teilweise Metallisierung der

Wenn ein genau analoger Vergleich zwischen Oberflächen 11 und 12 kann zusätzlich in dendiesen bekannten und den Einrichtungen gemäß der jenigen Fällen erfolgen, bei denen das Reflexionsver-Erfmdung angestellt würde, müßte die kohärente mögen der polierten Oberflächen nicht ausreicht. Emission der letzteren zwischen Fremdatomzustän- 55 Wenn eine Emission nur durch eine Oberfläche erden erfolgen, die sich zwischen dem Leitfähigkeits- folgen soll, kann ferner die andere Oberfläche sehr und dem Valenzband befinden. Es wird jedoch ange- stark reflektierend überzogen werden, um sie zu nommen, daß dies nicht der Fall ist. Im Falle der einem möglichst vollkommenen Reflektor zu Emission kohärenter angeregter Strahlung mit Ein- machen. Wahlweise können reflektierende Spiegel richtungen gemäß der Erfindung wird vielmehr ange- 60 parallel zu den Oberflächen 11 und 12 aufgestellt nommen, daß Übergänge von einem entarteten werden, um die Resonanzeigenschaften der Übern-leitenden Bereich zu einem entarteten p-leitenden gangsstruktur zu begünstigen.

Bereich auftreten, in dem eine Inversion der Be- Wenn ein Zustand mit stehenden Wellen in dem

Setzungsverteilung wegen eines Überlappens eines Übergangsbereich einer Diode aus Galliumarsenid Bereichs aufgefüllter Zustände in dem n-leitenden 65 gemäß F i g. 1 vorhanden ist, wird ein beträchtlicher Bereich und eines Bereichs leerer Zustände in dem Teil des infraroten Lichts durch die polierten p-leitenden Bereich auftritt. Diese Inversion der Be- Flächen hindurchtreten, und ein monochromatischer Setzungsverteilung wird durch die Anwendung einer Lichtimpuls hoher Intensität wird erhalten, wie

9 10

durch die Kurve E in F i g. 4 angedeutet ist. Die an- durch den zylindrischen Bereich 4 festgelegt, und geregte kohärente Strahlung der Einrichtungen ge- Licht wird in radialer Richtung emittiert,

maß der Erfindung und insbesondere die Emission Eine weitere Ausführungsform ist in F i g. 7 darge-

von kohärenter infraroter Strahlung durch ein stellt. In diesem Fall ist der Resonator hohlzylin-

Kristall aus Galliumarsenid der oben beschriebenen 5 drisch ausgebildet. Die Strahlung wird entlang dem

Art wird durch die große Wahrscheinlichkeit der ringförmigen Querschnittsende des Resonators

Band-zu-Band-Rekombination begünstigt, die im emittiert. Andere bekannte Strukturen von Resona-

Vergleich zu derjenigen vorhanden ist, die bei der toren können ebenfalls bei Einrichtungen gemäß der

Absorption freier Ladungsträger in Galliumarsenid Erfindung verwandt werden.

besteht (und in anderen Mehrstoffhalbleitern mit io Zum Zwecke der Beschreibung von Ausbildungen direktem Übergang), sowie durch die Tatsache, daß der in F i g. 6 dargestellten Art (wobei die stehende die Energie der emittierten Strahlung unter der Welle eine radiale Schwingungsform besitzt) sowie Absorptionsschwelle des den Übergangsbereich 4 von komplizierteren Ausbildungen, bei denen beibegrenzenden entarteten Materials liegt. Durch ge- spielsweise der Querschnitt elliptisch und die eignete Auswahl des Materials, aus dem die Diode 15 stehende Welle oder Schwingungsform wesentlich hergestellt wird, z. B. durch Legierung gleicher komplizierter sein kann, sowie der Ausfuhrungsform Materialien mit unterschiedlichen Banddifferenzen, in F i g. 7, wobei die Schwingungsform einfacher ist, ist es möglich, die Banddifferenz anzupassen, um aber der dazwischenliegende Abschnitt einen ringför-Lichtstrahlung oder eine andere Strahlung gewünsch- migen Querschnitt aufweist, werden die folgenden ter Wellenlänge zu erzielen. Beispielsweise wurde so Kriterien verwandt.

eine kohärente sichtbare Lichtstrahlung mit einer Zumindest zwei Oberflächenteile sollen parallel Komplexverbindung aus Galliumarsenid-Phosphid zueinander verlaufen und reflektierend sein. (Diese erzielt, die die angenäherte Formel Ga (As₁^P_x) be- Bedingung soll zumindest in dem Bereich der Übersitzt, wobei χ etwa 0,4 beträgt, und in welchem Kör- schneidung mit dem dazwischenliegenden Bereich per eine Fremdatomkonzentration in beiden Berei- 25 erfüllt sein.)

chen von etwa 2 · 10¹⁸ Ladungsträgern pro Kubikzen- Die Oberflächenteile, welche die stehende Welle

timeter vorhanden war. Von diesem Übergang abge- oder Schwingungsform ermöglichen, sollen senkrecht

strahltes Licht besitzt ein scharfes Maximum bei zu dem dazwischenliegenden Bereich zumindest an

etwa 7100 A und eine Bandbreite von etwa 20 A bei der Stelle der Überschneidung damit sein. (Selbst

16 000 A/cm² und etwa 12 A bei 19 000 A/cm². 30 wenn dies nur in dem Sinne der Fall ist, daß eine ge-

Neben dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungs- krümmte Oberfläche senkrecht zu einer Linie an

beispiel der Erfindung sind auch andere Ausfüh- dem Punkt der Überschneidung verläuft, wenn die

rungsformen möglich. Die wesentlichen Merkmale Tangente an die Oberfläche-senkrecht zu der Linie

sind entartet dotierte p- und η-leitende Bereiche mit in diesem Punkt ist.)

einer sehr dünnen dazwischenliegenden Schicht, in 35 Der dazwischenliegende Bereich, der die stehende der eine Inversion der Besetzungsverteilung erzielt Welle eingrenzt, muß eine derartige Ausbildung bewerden kann und die einen Resonanzhohlraum für sitzen, daß die stehende WeUe geradlinig zwischen die stehenden Wellen lokalisiert. Während bei dem reflektierenden Oberflächenteilen hindurchtreten oben beschriebenen Ausführungsbeispiel dieser.Be- kann. Diese Ausbildung \vird in ,dieser Beschreireich ein pn-übergang ist, welcher Bereich am ein- 40 bung als linear in mindestens einer Richtung befachsten herzustellen ist, könnte auch vorteilhafter- zeichnet. . ;
weise ein dazwischenliegender i-leitender Bereich Es sind zahlreiche Vorteile der angeregten Emisvorgesehen werden, so daß sich eine pin-Struktur er- sion kohärenter Strahlung durch Einrichtungen gegibt. Eine derartige Struktur könnte durch Herstel- maß der Erfindung gegenüber bekannten Einrichtunlung eines entarteten η-leitenden Kristalls (wie 3 in 45 gen zur selektiven Fluoreszenz vorhanden, die Fest-F i g. 1) erhalten werden, wonach durch Züchtung körper oder Gase enthalten. Während andere Einmit epitaktischem Wachstum ein steuerbar dünner richtungen eine Anregung rnit Mikrowellenfrequeni-leitender Bereich (wie 4 in F i g. 1) hergestellt und zen oder intensivem sichtbarem oder- infrarotem danach in Epitaxie ein entarteter p-leitender Bereich Licht benötigen, erfolgt die_: Energieversorgung der (wie 2 in Fig. 1) darauf gezüchtet wird. Das 50 Einrichtungen gemäß der Erfindung, vollständig in Schneiden und Polieren des Kristalls erfolgt, wie oben elektrischer Weise und wird Vorzugsweise durch die beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel kann Zufuhr geeigneter Gleichsptonungsiinpulse zu den der i-leitende Bereich tatsächlich eigenleitend oder Dioden erzielt. Dadurch* ^yird die Verwendung entweder schwach p- oder η-leitend sein. Tatsächlich äußerst einfacher Hilfseinrichtungen ermöglicht, was ist irgendeine überschüssige Leitungsträgerkonzen- 55 im Gegensatz zu den sehr komplizierten und kosttration geeignet,' die einen Faktor von 10 oder mehr spieligen Hilfseinrichtungen ^teht, die für andere weniger als diejenige beträgt, die in den entarteten Einrichtungen für eine selektive Fluoresze'nz erforn- und p-leitenden Bereichen vorhanden ist, solange derlich sind. Vielleicht liegt'der größte Vorteil der der Bereich eine Dicke von etwa 300A besitzt. Einrichtungen gemäß der Erfindung in ihrem Wir-Diese Abmessung ist im wesentlichen unabhängig 60 kungsgrad. Stromwirkungsgfäde von mehr als 50% von dem Material, aus dem die Diode hergestellt ist. wurden beobachtet und Leistimgswirkungsgrade von

Es können ebenfalls andere geometrische For- etwa 20 bis 30%. Nach, einer Weiterentwicklung mein der Einrichtung gemäß der Erfindung verwandt und einer weiteren Klärung ,der wissenschaftlichen werden. Zum Beispiel kann die rechteckige Aus- Grundlagen kann erwartet jverden, daß der Wirführungsform der F i g. 1 durch eine zylindrische 65 kungsgrad der Umwandlung von.Elektrizität in ange-Ausführungsform gemäß F i g. 6 ersetzt werden, in der regte kohärente Strahlung,, "beispielsweise in sichtentsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen ver- bares oder in infrarotes Licht nahezu 100% ersehen sind. In diesem Fall ist der optische Resonator reichen kann.

Ferner kann ein kohärenter Verstärker hergestellt werden, indem die Vorspannung auf einem Wert gerade unterhalb des Schwellwerts der kohärenten Emission gehalten wird, so daß ein geeigneter Impuls oder ein Signal niedriger Energie die Emission kohärenter Strahlung mit hoher Leistung anregen kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung betrifft optische Sender, die gemäß den Grundsätzen der Erfindung hergestellt werden können. Optische Sender bisheriger Bauart haben bisher keine ausgebreitete Verwendung gefunden, weil es schwierig ist, die erzeugte Lichtintensität zu modulieren. Das aus optischen Sendern gemäß der Erfindung austretende Licht kann in einfacher Weise moduliert werden. Eine Amplitudenmodulation wird dadurch erzielt, daß die Stromstärke oder die Stromdichte geändert wird, der die Diode für angeregte Emission ausgesetzt wird. Eine Frequenzmodulation kann dadurch erzielt werden, daß die Diode magnetischen Feldern oder elastischen Spannungsdeformationen ausgesetzt wird oder daß der Abstand der erwähnten reflektierenden Spiegel geändert wird, die parallel zu den Oberflächen 11 und 12 angeordnet werden können. Eine Modulation kann ferner durch die Aufnahme eines piezoelektrischen Umwandlers in denselben Kristallkörper erfolgen, der die Diode gemäß der Erfindung darstellt, so daß elektrische Impulse elastische Spannungen in dem Kristall der Diode hervorrufen können.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Erzeugung einer selektiv fluoreszenten kohärenten Strahlung in einer einkristallinen, direkte Übergänge ermöglichenden Halbleiterdiode, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiode (1) zwischen einem ersten n-Bereich (3) mit entarteter η-Leitfähigkeit und einem zweiten p-Bereich (2) mit entarteter p-Leitfähigkeit einen sehr dünnen dritten mittleren Bereich (4) mit stark herabgesetzter Dotierung aufweist, daß ihre geometrische Form so gewählt ist, daß parallele Oberflächen davon einen optischen Resonator bilden, und daß ein nicht gleichrichtender elektrischer Kontakt (5 bis 8) mit jedem der beiden Außenbereiche (2 und 3) und eine Einrichtung (15) zum Zuführen eines Gleichstroms zur Halbleiterdiode (1) vorgesehen ist, der zur Vorspannung des mittleren Bereiches (4) in der Durchlaßrichtung ausreicht, um in diesem mittleren Bereich (4) eine Inversion der Besetzungsverteilung einzuleiten und damit eine Emission von selektiv fluoreszenter kohärenter Strahlung durch mindestens eine der parallelen Oberflächen beziehungsweise Oberflächenbereiche zu bewirken.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei einander gegegenüberstehende Oberflächen genau parallel zueinander und genau senkrecht zum mittleren Bereich (4) verlaufen und ein hinreichend hohes Reflexionsvermögen aufweisen, um eine stehende Welle elektromagnetischer Energie zwischen den reflektierenden Oberflächen mindestens im mittleren Bereich (4) zu ermöglichen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des mittleren Bereichs (4) nicht größer als etwa das Zweifache der längeren der beiden Diffusionslängen für Minderheitsladungsträger in den betreffenden n- und p-leitenden Bereichen (3 und 2) ist und daß dieser Bereich (4) einen Leitungstyp aufweist, der einer Konzentration von überschüssigen Ladungsträgern in dem Größenbereich von mindestens einem Faktor von zehnmal weniger überschüssigen p-leitenden Trägern entspricht, als in dem p-Bereich vorhanden sind, bis mindestens einem Faktor von zehnmal wem'ger überschüssigen η-leitenden Trägern, als in dem η-Bereich vorhanden sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich (4) ein pn-übergang ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich (4) ein pin-Übergang ist.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich (4) eine ebene Fläche bildet.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiode (1) im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und daß ihre Mantelfläche senkrecht zu dem ebenen mittleren Bereich (4) verläuft und die Strahlung radial in der Ebene des mittleren Bereichs erfolgt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiode (1) im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist, daß der mittlere Bereich (4) als konzentrischer Hohlzylinder ausgebildet ist und die Strahlung in der Achse des Zylinders erfolgt.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Übergangsbereich (4) eine Dicke zwischen etwa 300 und 20 000 A aufweist.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiode (1) aus Galliumarsenid besteht, daß der η-Bereich entartet dotiert ist und einen Überschuß von Donatormaterial von mehr als etwa 2-10¹⁷/cm^s enthält und daß der p-Bereich entartet dotiert ist und einen Überschuß von Akzeptormaterial von mehr als etwa 10¹⁸/cm^s enthält.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiode (1) aus einem Mehrstoffkörper mit der allgemeinen Formel Ga(As_1-1P_x) besteht, wobei χ zwischen 0 und 0,5 liegt, daß der n-Bereich entartet η-leitend dotiert ist und einen Überschuß von Donatormaterial von mindestens etwa 5 ■ 10¹⁷/cm⁵ enthält, und daß der p-Bereich entartet p-leitend dotiert ist und eine Konzentration von überschüssigem Akzeptormaterial von mindestens etwa 2 · 10¹⁸/cm³ enthält.

12. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um eine Amplitudenmodulation der erzeugten Lichtstrahlen durch Änderung des Stroms oder der Stromdichte zu verursachen, der diese Halbleiterdiode (1) ausgesetzt ist

13. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen

ist, durch die eine Frequenzmodulation der austretenden Lichtstrahlung mittels magnetischer Beeinflussung oder elastischer Deformation durchführbar ist.

14. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß an dem die Halbleiterdiode bildenden Kristall ein piezoelektrischer Umwandler angebracht ist, so daß der Diodenkörper durch elektrische Impulse elastisch deformierbar ist.

15. Lichtverstärker für kohärentes Licht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen

ist, um die Vorspannung der Halbleiterdiode auf einem Wert gerade unterhalb des Schwellwerts der kohärenten Emission zu halten, so daß durch ein zugeführtes Signal geringer Energie eine Emission von Strahlung mit hoher Intensität anregbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Journal of Applied Physics, Supplement
ίο Bd. 32, Nr. 10, Oktober 1961, S. 2155 bis 2166;

Physical Review, Bd. 127, Nr. 5,1.9.1962,
S. 1559 bis 1563;
Electronics, 10. 8.1962, S. 7.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen