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FR2544133A1 - SEMICONDUCTOR DEVICE FOR GENERATING ELECTROMAGNETIC RADIATION - Google Patents

SEMICONDUCTOR DEVICE FOR GENERATING ELECTROMAGNETIC RADIATION Download PDF

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FR2544133A1
FR2544133A1 FR8405233A FR8405233A FR2544133A1 FR 2544133 A1 FR2544133 A1 FR 2544133A1 FR 8405233 A FR8405233 A FR 8405233A FR 8405233 A FR8405233 A FR 8405233A FR 2544133 A1 FR2544133 A1 FR 2544133A1
Authority
FR
France
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semiconductor
layer
layers
conduction
type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
FR8405233A
Other languages
French (fr)
Inventor
Ferd Elten Williams
Lodewijk Johan Van Ruyven
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Philips Gloeilampenfabrieken NV filed Critical Philips Gloeilampenfabrieken NV
Publication of FR2544133A1 publication Critical patent/FR2544133A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/341Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10HINORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80Constructional details
    • H10H20/81Bodies
    • H10H20/811Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10HINORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
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    • H10H20/824Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP

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  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

UNE COUCHE ACTIVE 3 D'UN LED OU LASER S'OBTIENT LORSQU'ELLE EST MUNIE DE COUCHES 8 OU DE FILS ISO-ELECTRONIQUES. CE BUT S'OBTIENT PAR APPLICATION DE COUCHES 8 TRES MINCES OU DE FILS TRES MINCES (EPAISSEUR AU MAXIMUM 2 COUCHES MONOMOLECULAIRES) DANS UN MATERIAU DE MATRICE 7 D'UN PREMIER MATERIAU SEMI-CONDUCTEUR. NOTAMMENT LORSQUE L'ECARTEMENT DE BANDE DU DEUXIEME MATERIAU EST INFERIEUR A CELUI DU MATERIAU DE MATRICE, IL SE PRODUIT DES EFFETS DE QUANTISATION DE FACON QUE DES EXCITONS PRESENTANT UNE GRANDE STABILITE SOIENT INTRODUITS LE LONG DES COUCHES OU FILS ISO-ELECTRONIQUES.AN ACTIVE LAYER 3 OF AN LED OR LASER IS OBTAINED WHEN IT IS EQUIPPED WITH 8 LAYERS OR ISO-ELECTRONIC WIRES. THIS AIM IS OBTAINED BY APPLYING 8 VERY THIN LAYERS OR VERY THIN THREADS (MAXIMUM THICKNESS 2 MONOMOLECULAR LAYERS) IN A MATRIX MATERIAL 7 OF A FIRST SEMICONDUCTOR MATERIAL. ESPECIALLY WHEN THE BAND SPRING OF THE SECOND MATERIAL IS LESS THAN THAT OF THE MATRIX MATERIAL, QUANTIZATION EFFECTS OCCUR IN A WAY THAT EXCITONS WITH GREAT STABILITY ARE INTRODUCED ALONG ISO-ELECTRONIC LAYERS OR WIRES.

Description

-1- "Dispositif semiconducteur servant à engendrer du rayonnement-1- "Semiconductor device used to generate radiation

6 lectromagn 6 tique".6 electromagnetic 6 ticks ".

L'invention concerne un dispositif semiconducteur servant  The invention relates to a semiconductor device for

à engendrer du rayonnement électromagnétique dans une région semi-  to generate electromagnetic radiation in a semi-region

conductrice active d'un premier matériau, matériau de matrice qui  active conductor of a first material, matrix material which

est muni d'une façon structurée d'un deuxième matériau.  is provided in a structured manner with a second material.

Un dispositif semiconducteur comme décrit ci-dessus est  A semiconductor device as described above is

connu de la demande de brevet internationale (PCT) W 082-03946 pu-  known from the international patent application (PCT) W 082-03946 pu-

bliée le 11 novembre 1982.blessed on November 11, 1982.

Des dispositifs semiconducteurs servant à engendrer du rayonnement électromagnétique sont appliqués dans divers domaines de la technique Ils peuvent se distinguer en dispositifs dont le rayonnement n'est pas cohérent et dispositifs dont le rayonnement émis est cohérent Dans le premier cas, il s'agit de plus souvent de LED (diode photoémettrice, en anglais "light emitting diode"), dans le dernier cas de lasers La longueur d'onde du rayonnement émis peut se situer dans la région visible du spectre, mais également par  Semiconductor devices used to generate electromagnetic radiation are applied in various fields of the technique They can be distinguished into devices whose radiation is not coherent and devices whose emitted radiation is coherent In the first case, it is more often LED (light emitting diode), in the last case of lasers The wavelength of the emitted radiation can be in the visible region of the spectrum, but also by

exemple dans la région infrarouge ou ultraviolette.  example in the infrared or ultraviolet region.

le rayonnement engendré par des lasers semiconducteurs connus présente en général (dans l'air) une longueur d'onde de 800 à 900 nanomètres Pour plusieurs raisons, il est désirable de réaliser  the radiation generated by known semiconductor lasers generally has (in the air) a wavelength of 800 to 900 nanometers For several reasons, it is desirable to achieve

des lasers émettant du rayonnement du plus courte longueur d'onde.  lasers emitting radiation of the shortest wavelength.

C'est ainsi que dans le cas de stockage d'information dans des por-  This is how in the case of information storage in port-

teurs image et son (VLP, DOR, compact disc), la quantité de surface  image and sound (VLP, DOR, compact disc), the amount of surface

nécessaire pour une seule information de bit est inversement propor-  necessary for a single bit information is inversely proportional

tionnelle au carré de la longueur d'onde du rayonnement laser Une  tional squared wavelength of laser radiation A

réduction de moitié de cette longueur d'onde permet donc de quadru-  halving this wavelength therefore allows quadru-

pler la densité d'informations Un avantage secondaire est que les plus courtes longueurs d'onde permettent d'utiliser une optique plus simple. Une réalisation pratique d'un LED émettant de la lumière verte est connue de l'article intitulé "An Experimental Study of High Efficiency Ga P:N Green-Light-Emitting Diodes", paru dans RCA Review, Vol 33, septembre 1972, pages 517 à 526 On y décrit tant -2-  pler information density A secondary advantage is that the shorter wavelengths allow the use of simpler optics. A practical realization of an LED emitting green light is known from the article entitled "An Experimental Study of High Efficiency Ga P: N Green-Light-Emitting Diodes", published in RCA Review, Vol 33, September 1972, pages 517 to 526 It describes both -2-

des LED o la diode est formée par du matériau semiconducteur mono-  LEDs where the diode is formed by mono-semiconductor material

cristallin, par exemple du phosphure de gallium que des LED o des héterojonctions sont formées entre du phosphure de gallium et du phosphure d'aluminium-gallium, le phosphure de gallium pouvant être  crystalline, for example gallium phosphide as LEDs or heterojunctions are formed between gallium phosphide and aluminum-gallium phosphide, the gallium phosphide can be

de type p aussi bien que de type n.p-type as well as n-type.

Afin d'augmenter l'efficacité quantique de tels TLED, le  In order to increase the quantum efficiency of such TLEDs, the

phosphure de gallium est dopé à l'aide d'azote Il s'avère que l'ef-  gallium phosphide is doped with nitrogen It turns out that the eff-

ficacité quantique augmente jusqu'à une certaine valeur avec la quantité d'impuretés d'azote Une trop grande quantité d'azote se  quantum efficiency increases to a certain value with the amount of nitrogen impurities Too much nitrogen is

traduit cependant par la déformation du réseau du phosphure de gal-  translated however by the deformation of the network of the phosphide of gal-

lium par formation de complexes et, de ce fait, une réduction de l'efficacité quantique De plus, l'azote qui est plus éloigné de la  lium by formation of complexes and, as a result, a reduction in quantum efficiency In addition, the nitrogen which is farther from the

jonction pn, absorbe fortement le rayonnement, de sorte que la quan-  pn junction, strongly absorbs radiation, so that the quan-

tité de rayonnement émis en réalité diminue davantage Ia dissolu-  tity of radiation actually emitted further decreases the dissolu-

tion, a priori, dans du phosphure de gallium, d'azote jusqu'à la  tion, a priori, in gallium phosphide, nitrogen up to the

limite de solubilité n'a donc pas de sens.  solubility limit therefore does not make sense.

Ladite demande de brevet internationale W 082-03946 décrit une structure de laser dans laquelle la région active est constituée par un nombre relativement élevé de couches actives d'un matériau  Said international patent application W 082-03946 describes a laser structure in which the active region consists of a relatively large number of active layers of a material

semiconducteur présentant un écartement de bande direct, come l'ar-  semiconductor with direct band spacing, such as the

séniure de gallium, qui sont situées entre et séparées par des cou-  gallium seniure, which are located between and separated by co-

ches de barrière d'un matériau semiconducteur présentant un écarte-  barrier shields of a semiconductor material having a spreader

ment de bande indirect, comme l'arséniure d'aluminium Ces couches  indirect tape like aluminum arsenide These layers

actives et ces couches de barrière constituent ensemble un superré-  active and these barrier layers together constitute a super-

seau, qui présente un écartement de bande effectivement situé entre celui de Ga As ( 1,35 e V) et celui de Al As ( 2,30 e V), notamment 1,57  bucket, which has a band spacing actually located between that of Ga As (1.35 e V) and that of Al As (2.30 e V), in particular 1.57

e V, de sorte que le rayonnement engendré présente une longueur d'on-  e V, so that the radiation generated has a wavelength

de notablement plus courte que dans le cas d'utilisation d'une cou-  significantly shorter than when using a cut

che active uniquement constituée par de l'arséniure de gallium.  active che consisting only of gallium arsenide.

Cet effet s'obtient par l'apparition de l'effet dit "quan-  This effect is obtained by the appearance of the so-called "quan-

tum well" et de l'effet de superréseau L'effet "quantum well" se  tum well "and the superlattice effect The" quantum well "effect

produit dans la région active lorsqu'une couche très mince du deu-  produced in the active region when a very thin layer of the two

xième matériau semiconducteur est enfermée entre deux couches d'un premier matériau semiconducteur présentant un plus grand écartement de bande que le deuxième matériau TI en résulte que l'écartement de bande effectif dans la couche mince du deuxième matériau augmente et  xth semiconductor material is enclosed between two layers of a first semiconductor material having a greater strip spacing than the second TI material as a result that the effective strip spacing in the thin layer of the second material increases and

2544 1 332544 1 33

-3--3-

que par conséquent la longueur d'onde du rayonnement engendré dimi-  that consequently the wavelength of the radiation generated decreases

nue L'effet de superréseau se produit par suite de la structure de  The superlattice effect occurs as a result of the structure of

superréseau et résulte dans la conversion d'un matériau semiconduc-  superlattice and results in the conversion of a semiconductor material

teur "indirect" en matériau semiconducteur effectivement "direct" eu  "indirect" content in actually "direct" semiconductor material eu

égard aux transitions de bande des porteurs de charges Cela augmen-  with regard to the band transitions of the charge carriers This increases

te la probabilité de la transition de rayonnement des porteurs de  te the probability of the radiation transition of the carriers of

charges, ce qui permet d'obtenir une densité de rayonnement élevée.  charges, which results in a high radiation density.

Pour une description de l'effet "quantum well", il y a lieu de s'en  For a description of the "quantum well" effect, it should be noted

reférer à "Quantum Well Heterostructure Lasers " de N Holonyak et  refer to "Quantum Well Heterostructure Lasers" by N Holonyak and

al, I E E E Journal of Quantum Electronics, Vol GE-16, N 2, fé-  al, I E E E Journal of Quantum Electronics, Vol GE-16, N 2, fé

vrier 1980, pages 170 à 186.February 1980, pages 170 to 186.

Lors de la réalisation de telles structures de superréseau o l'épaisseur des couches actives varie entre 2 nanomètres et 50 nanomètres et l'épaisseur des couches de barrière entre 1 nanomètre et 20 nanomètres, il faut poser des exigences sévères notamment sur  When making such superlattice structures where the thickness of the active layers varies between 2 nanometers and 50 nanometers and the thickness of the barrier layers between 1 nanometer and 20 nanometers, strict requirements must be placed, in particular on

la périodicité de la structure.the periodicity of the structure.

L'invention vise entre autres à définir un dispositif semiconducteur pour LED ou lasers, o se produit une densité de rayonnement aussi élevée que possible pour une intensité de courant  The invention aims inter alia to define a semiconductor device for LEDs or lasers, where a radiation density occurs as high as possible for a current intensity

donnée, notamment à la température ambiante normale.  given, especially at normal room temperature.

De plus, elle vise à définir un laser de la susdite struc-  In addition, it aims to define a laser of the above-mentioned struc-

ture émettant du rayonnement à une longueur d'onde aussi faible que possible. Conformément à l'invention, un dispositif semiconducteur du genre mentionné dans le préambule est caractérisé en ce que le deuxième matériau est appliqué sous forme de fil ou de couche et les  ture emitting radiation at as short a wavelength as possible. According to the invention, a semiconductor device of the kind mentioned in the preamble is characterized in that the second material is applied in the form of a wire or layer and the

dimensions du fil ou respectivement de la couche, vues dans une di-  dimensions of the wire or of the layer respectively, seen in a di-

rection perpendiculaire au fil ou respectivement à la couche, sont  section perpendicular to the wire or respectively to the layer, are

au maximum égales à l'épaisseur de deux couches moléculaires du deu-  at most equal to the thickness of two molecular layers of the two

xième matériau semiconducteur et, vue dans la direction longitudina-  xth semiconductor material and, viewed in the longitudinal direction

le du fil ou respectivement de la couche, la dimension est égale à  the wire or layer respectively, the dimension is equal to

au moins cent fois l'épaisseur du fil ou respectivement de la cou-  at least a hundred times the thickness of the wire or respectively of the

che. L'invention est basée entre autres sur l'idée que lesdits fils ou respectivement lesdites couches sont suffisamment minces pour être considérés comme des impuretés normales pour le matériau  che. The invention is based, among other things, on the idea that said wires or respectively said layers are thin enough to be considered as normal impurities for the material.

2544 1 332544 1 33

-4- semiconducteur les entourant, tout en pouvant être appliqué de façon  -4- semiconductor surrounding them, while being able to be applied in a way

structurée à l'aide de techniques modernes comme l'Spitaxie à fais-  structured using modern techniques such as Spitaxis

ceau moléculaire (FIBE) ou 1 épitaxie à partir de la phase de vapeur métallo-organique. De plus, dans le cas o les fils ou respectivement les couches sont constitués du matériau semiconducteur présentant un plus petit écartement de bande que le matériau de matrice, elle est basée sur l'idée qu'il se produit néanmoins un effet de perturbation en forme de puits quantique De plus, il est possible de choisir des matériaux tels qu'il en résulte une bonne adaptation du réseau Les dimensions dans la direction longitudinale du fil ou de la couche  molecular skin (FIBE) or 1 epitaxy from the metallo-organic vapor phase. In addition, in the case where the wires or the layers respectively consist of the semiconductor material having a smaller band gap than the matrix material, it is based on the idea that there nevertheless occurs a disturbance effect in shape of quantum wells In addition, it is possible to choose materials such that this results in a good adaptation of the network The dimensions in the longitudinal direction of the wire or of the layer

sont suffisantes pour assurer la présence d'états liés.  are sufficient to ensure the presence of bound states.

L'invention est ensuite basée sur l'idée que, dans ladite structure Ga P:N du susdit article du périodique, des couches (fils) convenablement structurées d'atomes d'azote peuvent être appliquées dans le matériau de matrice sans qu'il n'en résulte la formation de complexes de l'azote dans le matériau de matrice proprement dit Ce but est atteint du fait que les couches (fils) sont appliquées à des  The invention is then based on the idea that, in said Ga P: N structure of the above-mentioned periodical article, suitably structured layers (wires) of nitrogen atoms can be applied in the matrix material without it this results in the formation of nitrogen complexes in the matrix material proper. This object is achieved by the fact that the layers (threads) are applied to

températures relativement basses et qu'il ne se produit pas de trai-  relatively low temperatures and no milking occurs

tement thermique ultérieur Dans le matériau de matrice il ne se  subsequent thermal retention In the matrix material it does not

produit par conséquent aucune absorption du rayonnement électroma-  therefore produces no absorption of electromagnetic radiation

gnétique engendré.generated genetics.

De plus, un dispositif semiconducteur conforme à l'inven-  In addition, a semiconductor device according to the invention

tion offre l'avantage que des exigences sévères concernant les di-  The advantage is that stringent requirements for di-

mensions ne sont posées qu'aux couches ou fils structurées, (épais-  mensions are only applied to structured layers or wires, (thick-

seur d'au maximum 2 couches moleculaires) alors que la structure  maximum of 2 molecular layers) while the structure

n'est pas nécessairement périodique.  is not necessarily periodic.

Selon une première forme de réalisation le premier maté-  According to a first embodiment, the first material

riau et le deuxième matériau sont constitués respectivement par de  riau and the second material consist respectively of

l'arséniure d'aluminium et de l'arséniure de gallium Un laser pré-  aluminum arsenide and gallium arsenide A laser pre-

sentant une telle région semiconductrice active émet une lumière  feeling such an active semiconductor region emits light

rouge (environ 630 nm) dans l'air.red (about 630 nm) in the air.

Selon une deuxième forme de réalisation, le premier maté-  According to a second embodiment, the first material

riau et le deuxième matériau sont constitués respectivement par du  riau and the second material consist respectively of

phosphure d'aluminium et du phosphure de gallium Un laser présen-  aluminum phosphide and gallium phosphide A laser presents

tant une telle région semiconductrice active émet de la lumière ver-  as such an active semiconductor region emits green light

25441 3:25441 3:

-5--5-

te (environ 540 nm) dans l'air.te (about 540 nm) in the air.

Dans lesdits deux cas, il se produit en outre une bonne adaptation du réseau des deux matériaux Dans lesdits exemples, l'exigence concernant l'épaisseur ou respectivement la section de la  In these two cases, there is also a good adaptation of the network of the two materials. In the said examples, the requirement concerning the thickness or respectively the section of the

couche ou du fil implique qu'elle soit au maximum de 0,6 nanomètre.  layer or wire implies that it is at most 0.6 nanometer.

D'autres exemples d'un deuxième matériau dans un matériau de matrice à plus grand écartement de bande sont par exemple: du phosphure d'indium dans du phosphure de gallium et de l'arséniure  Other examples of a second material in a matrix material with greater band gap are for example: indium phosphide in gallium phosphide and arsenide

d'indium ou d'antimoine-gallium dans de l'arséniure de gallium Ou-  indium or antimony gallium in gallium arsenide Or-

tre des lasers, il est possible de réaliser à partir de ce matériau également des IED présentant un rendement lumineux élevé pour une  Being lasers, it is possible to produce from this material also IEDs having a high light output for a

faible intensité de courant Puis, par suite d'une moins bonne adap-  low current intensity Then, as a result of poorer adaptation

tation du réseau, la déformation du réseau se traduit par une éner-  tation of the network, the deformation of the network results in an

gie de liaisonaugmentée des excitons (paires de trou-électron), ce  increased bond of excitons (hole-electron pairs), this

qui augmente la probabilité de transition du rayonnement électroma-  which increases the probability of transition of electroma-

gnétique. Cette augmentation de la probabilité de transition par une énergie de liaison accrue des excitons se produit également lorsque  genetic. This increase in the probability of transition by an increased bond energy of excitons also occurs when

le deuxième matériau est du nitrure de gallium et le premier maté-  the second material is gallium nitride and the first material

riau est du phoshure de gallium, bien que dans ce cas, le deuxième  riau is gallium phoshure, although in this case the second

matériau présente un plus grand écartement de bande.  material has a larger band gap.

Ia description ci-après, en se référant aux dessins an-  The description below, with reference to the drawings an-

nexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien com-  nexés, all given by way of nonlimiting example, will do well

prendre comment l'invention peut être réalisée.  take how the invention can be made.

La figure 1 montre une vue schématique d'une diode photoé-  Figure 1 shows a schematic view of a photo diode

mettrice (LED) conforme à l'invention.  mettrice (LED) according to the invention.

La figure 2 montre schématiquement une section transversa-  Figure 2 shows schematically a cross-section

le agrandie d'une partie du dispositif selon la figure 1.  the enlarged part of the device according to Figure 1.

La figure 3 montre une variante de la figure 2 vue suivant la ligne IIIIII de la figure 4 o est montrée la vue en plan d'une  Figure 3 shows a variant of Figure 2 seen along line IIIIII of Figure 4 o is shown the plan view of a

couche active dans un LED conforme à l'invention.  active layer in an LED according to the invention.

La figure 5 montre schématiquement les niveaux d'énergie dans le matériau actif, alors que La figure 6 montre un laser conforme à l'invention et  FIG. 5 schematically shows the energy levels in the active material, while FIG. 6 shows a laser according to the invention and

Ia figure 7 une variante du dispositif selon la figure 6.  FIG. 7 a variant of the device according to FIG. 6.

Les figures sont représentées schématiquement et non à -6-  The figures are represented schematically and not at -6-

échelle, et pour la clarté du dessin, dans les sections transversa-  scale, and for the clarity of the drawing, in the cross-sections

les, les dimensions dans les directions de l'épaisseur notamment  the, the dimensions in the directions of the thickness in particular

sont fortement exagérées D'une façon générale, les zones semicon-  are strongly exaggerated Generally speaking, the semi-

ductrices du même type de conduction sont représentées de façon ha-  of the same type of conduction are represented in a ha-

churée dans la même direction; sur les figures, les pièces corres-  chured in the same direction; in the figures, the corresponding parts

pondaites sont en général désignées par les m Aemes chiffres de réfé-  are generally designated by the same reference numbers.

rence. la diode photoémettrice (LED) I selon la figure 1 comporte un substrat n+ 2 d'arséniure de gallium, qui est dopé, par exemple à l'aide de soufre avec une concentration d'environ 1018 atomes/ cm 3 Sur ce substrat est appliquée la couche active 3, de type n, par exemple par épitaxie à l'aide d'un faisceau moléculaire (MBE) ou par épitaxie dans la phase vapeur métallo-organique (MOVPE) De plus, le dispositif selon la figure I est muni d'une zone annulaire p+ 4, qui est par exemple obtenue à l'aide d'une deuxième étape d'épitaxie et par décapage dans la forme requise Pour le cont Act, la zone 4 est munie d'une couche métallique 5 l'autre contact de  rence. the light emitting diode (LED) I according to FIG. 1 comprises an n + 2 substrate of gallium arsenide, which is doped, for example using sulfur with a concentration of approximately 1018 atoms / cm 3 On this substrate is applied the active layer 3, of type n, for example by epitaxy using a molecular beam (MBE) or by epitaxy in the metallo-organic vapor phase (MOVPE) In addition, the device according to FIG. I is provided with 'an annular zone p + 4, which is for example obtained using a second epitaxy step and by pickling in the required form For the Cont Act, zone 4 is provided with a metallic layer 5 the other contact of

diode s'obtient à l'aide d'une couche mntallique 6, assurant le con-  diode is obtained using a metallic layer 6, ensuring the con-

tact du substrat.tact of the substrate.

la couche active 3 est constituée par un matériau de ma-  the active layer 3 is constituted by a material of ma-

trice 7, dans ce cas par exemple de l'arséniure d'aluminium de type n, les impuretés assurant la conduction de type N étant ajoutées  trice 7, in this case for example of aluminum arsenide of type n, the impurities ensuring the conduction of type N being added

pendant la croissance épitaxiale au matériau de matrice.  during epitaxial growth to the matrix material.

Conformément à l' invention (voir la figure 2), le matériau  According to the invention (see Figure 2), the material

7 est muni de façon structurée d'un second matériau Dans cet exem-  7 is structurally provided with a second material. In this example

ple sont appliquées par croissance des couches 8 en arséniure de gallium selon une épaisseur d'une couche monomoléculaire d'arséniure de gallium (environ 0,3 nanomètre) De plus, la couche est au moins  ple are applied by growing layers 8 of gallium arsenide according to a thickness of a monomolecular layer of gallium arsenide (about 0.3 nanometers) In addition, the layer is at least

cent fois (environ 30 nanomntres) plus longue ou large Dans le pré-  a hundred times (about 30 nanometers) longer or wider In the pre-

sent exemple le matériau de matrice 7 comporte plusieurs couches 8 qui sont éloignées, les unes des autres, d'une distance d'environ 10 épaisseurs de couche monomoleculaires (environ 30 nm) de l'arséniure  for example the matrix material 7 comprises several layers 8 which are spaced apart from each other by a distance of approximately 10 thicknesses of monolayer (approximately 30 nm) of the arsenide

de gallium Cette substance suffit pour assurer que les perturba-  of gallium This substance is sufficient to ensure that disturbances

tions de potentiel (états liés) de deux couches différentes 8 ne se  potential states (linked states) of two different layers 8 do not

perturbent pas mutuellement.not disturb each other.

2544 1 32544 1 3

-7--7-

Les couches 8 n'occupent pas nécessairement toute la su-  The layers 8 do not necessarily occupy all of the

perficie de la région 3 mais peuvent être appliquées comme couches partielles à des hauteurs différentes, comme le montre la figure 3 o les couches 8 a, 8 b, 8 c, 8 d se situent dans divers plans et se  area of region 3 but can be applied as partial layers at different heights, as shown in Figure 3 o layers 8 a, 8 b, 8 c, 8 d lie in various planes and are

recouvrent partiellement (voir la figure 4).  partially overlap (see Figure 4).

Ia figure 5 montre un diagramme schématique d'énergie de la couche 3, vu dans la ligne V-V de la figure 3 Par suite de la pr&sence de la couche 8, il se produit une perturbation dans la structure de bande du matériau de matrice 7, qui pr 6 sente une autre forme que dans le cas d'un puits quantique, comme l'indique la ligne mixte 9 Dans ce dernier cas, 'plusieurs niveaux d'énergie discrets  FIG. 5 shows a schematic energy diagram of layer 3, seen in line VV of FIG. 3 As a result of the presence of layer 8, there is a disturbance in the band structure of the matrix material 7, which has a different form than in the case of a quantum well, as indicated by the mixed line 9 In the latter case, 'several discrete energy levels

pour trous et électrons se trouvent dans le puits quantique, la re-  for holes and electrons are in the quantum well, the re-

combinaison de rayonnement étant essentiellement présente entre le niveau le plus bas dans la bande de conduction et le niveau le plus  combination of radiation being essentially present between the lowest level in the conduction band and the highest level

élevé de la bande de valence du matériau provoquant le puits quanti-  high valence band of the material causing the quantum well

que (voir par exemple "Quantum-Well Heterostructure Lasers par N. Holonyak Jr et al, paru dans IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol GE- 16, N 2, février 1980, pages 170 et suivantes, notamment les pages 170 à 171) La recombinaison s'effectue à une fréquence  that (see for example "Quantum-Well Heterostructure Lasers by N. Holonyak Jr et al, published in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol GE-16, N 2, February 1980, pages 170 and following, in particular pages 170 to 171) Recombination takes place at a frequency

située entre celle correspondant aux distances de bande des maté-  located between that corresponding to the strip distances of the materials

riaux composants.components.

Dans la réalisation conforme à l'invention (une perturba-  In the embodiment according to the invention (a disturbance

tion avec une épaisseur de couche d'au maximum deux couches molécu-  tion with a layer thickness of up to two molecular layers

laires), la couche 8 fait pratiquement Office d'impureté Vue dans la direction suivant la ligne V-V, du point de vue de la mécanique  laires), layer 8 is practically an office of impurity Seen in the direction along the line V-V, from the point of view of mechanics

quantique la perturbation ainsi introduite peut être considérée com-  quantum the disturbance thus introduced can be considered as

me un puits de potentiel peu profond symétrique, pour lequel on peut démontrer qu'un seul niveau d'énergie n'est disponible près de la face supérieure du puits (voir entre autres Landau et Lifshitz "Quantum Mechanics", deuxième édition, Pergamon Press, 1965, pages à 67, 109 à 110, 156) Les trous et électrons liés par une couche  me a symmetrical shallow potential well, for which it can be demonstrated that only one energy level is available near the upper face of the well (see among others Landau and Lifshitz "Quantum Mechanics", second edition, Pergamon Press , 1965, pages at 67, 109 to 110, 156) The holes and electrons linked by a layer

8 occupent par conséquent des niveaux d'énergie situés de façon di-  8 therefore occupy different energy levels

recte respectivement au-dessus de la bande de valence et au-dessous de la bande de conduction du matériau de matrice et constituent des excitons liés avec respectivement des électrons et des trous La distance d'énergie correspondante qui constitue une mesure de la 254413 r fréquence du rayonnement électromagnétique rayonné est représentée sur la figure 5 par le chiffre de référence 10 O la couche 8 se comporte comme une "face isoélectronique", ce qui veut dire une couche d'impuretés qui se manifestent comme des centres de rayonnement iso-électronique De tels centres sont formés par des impureteés présentant la propriété caractéristique de lier un électron et-un trou (dit exciton) à une énergie finie sans pouvoir  recte respectively above the valence band and below the conduction band of the matrix material and constitute excitons linked with electrons and holes respectively The corresponding energy distance which constitutes a measure of the frequency 254413 radiated electromagnetic radiation is represented in FIG. 5 by the reference number 10 O layer 8 behaves like an "isoelectronic face", which means a layer of impurities which manifest themselves as centers of isoelectronic radiation such centers are formed by impurities having the characteristic property of binding an electron and a hole (called exciton) to a finite energy without being able

lier elles-mêmes une charge nette ou bien un électron ou-un trou.  themselves link a net charge or an electron or a hole.

L'énergie de liaison élevée, provenant dans ce cas des  The high bond energy, in this case from

niveaux d'énergie du puits de potentiel symétrique permet la recom-  energy levels of the symmetric potential well allows the recom-

binaison dans la couche d'arséniure de gallium à une fréquence cor-  hoeing in the gallium arsenide layer at a frequency

respondant à une énergie qui est pratiquement égale à la distance  responding to an energy which is practically equal to the distance

d'énergie dans l'arséniure d'aluminium Ainsi, il est possible d'ob-  of energy in aluminum arsenide So it is possible to

tenir du rayonnement d'une plus petite longueur d'onde que dans le  hold radiation of a smaller wavelength than in the

matériau proprement dit de la couche 8.  layer 8 material itself.

Par suite de ladite énergie de liaison élevée, les exci-  As a result of said high bond energy, the exci-

tons présentent également une grande stabilité qui, de concert avec  tones also exhibit great stability which together with

la densité élevée, augmente notablement, dans une couche iso-élec-  the high density, notably increases, in an isoelectric layer

tronique, la possibilité de recombinaison de rayonnement à la fré-  tronic, the possibility of recombination of radiation at the

quence correspondant à ladite énergie de liaison, notamment à la température ambiante normale les excitons sont liés pour ainsi dire à la couche In en résulte une densité de rayonnement élevée, le  quence corresponding to said binding energy, in particular at normal ambient temperature the excitons are linked, so to speak, to the layer In, resulting in a high radiation density, the

long de la couche qui n'est pas perturbée par des pertes se produi-  along the layer which is not disturbed by losses occurs

sant quelque part dans le matériau du fait que le rayonnement est essentiellement engendré le long de la couche, alors que l'arséniure  health somewhere in the material because the radiation is essentially generated along the layer, while the arsenide

d'aluminium ne contient en outre pratiquement pas de centres de re-  additionally contains practically no reference centers

combinaison Dans le présent exemple, il ne se présente également pas de pertes de rayonnement dues aux défauts de réseau du fait que  combination In this example, there is also no radiation loss due to network faults because

l'arséniure d'aluminium et l'arséniure de gallium présentent prati-  aluminum arsenide and gallium arsenide present practi-

quement la mêeme constante de réseauo N 1 en est de même pour les cou-  the same network constant o N 1 is the same for the

ches ou les fils en phosphure de gallium dans du phosphure d'alumi-  ches or gallium phosphide wires in aluminum phosphide

nium Des LED présentant une telle structure de couche active of-  nium LEDs with such an active layer structure of-

frent par conséquent les avantages d'une plus petite longueur d'on-  therefore have the advantages of a shorter wavelength

de, d'une efficacité plus élevée, alors que leur durée de vie est en  of, of higher efficiency, while their lifespan is in

outre plus grande.besides larger.

254413-254413-

-9- Dans le cas de couches de phosphure de gallium dans du phosphure d'indium ou de l'arséniure de gallium dans de l'arséniure d'indium ou dans du gallium-antimoine, il se produit des différences  -9- In the case of layers of gallium phosphide in indium phosphide or gallium arsenide in indium arsenide or in gallium-antimony, differences occur

de constantes de réseau Ainsi, des centres de recombinaison pour-  network constants So, recombination centers for-

raient être introduits; il est cependant connu que dans des couches très minces (environ 10 couches monomoléculaires), la déformation de réseau peut être captée élastiquement sans provoquer la formation de centres de recombinaison (voir: Continuous 300 K-Laser operation of  should be introduced; it is however known that in very thin layers (about 10 monomolecular layers), the network deformation can be captured elastically without causing the formation of recombination centers (see: Continuous 300 K-Laser operation of

strained Superlattices, par Mo J Ludowise et al, Appl Phys Iett.  strained Superlattices, by Mo J Ludowise et al, Appl Phys Iett.

42 ( 6), 15 mars 1983, pages 487) Il est vrai que simultanément,  42 (6), March 15, 1983, pages 487) It is true that simultaneously,

l'énergie de liaison des excitons est notablement augmentée, de sor-  the bonding energy of the excitons is notably increased, so

te que ceux-ci présentent une plus grande stabilité.  te that these present a greater stability.

Un avantage analogue s'obtient dans le cas d'application de couches ou de fils en nitrure de gallium dans du phosphure de gallium, cas dans lequel le matériau de matrice présente une plus petit écartement de bande que le second matériau, il est vrai, mais l'application structurée permet d'obtenir une densité en excitons nette plus élevée dans du phosphure de gallium, notamment sur des faces ou fils isoélectroniques que selon les méthodes connues De plus, du fait que le matériau de matrice ne présente lui-même pas de centres de recombinaison indésirables, on a obtenu un LED présentant  A similar advantage is obtained in the case of the application of layers or wires of gallium nitride in gallium phosphide, in which case the matrix material has a smaller band gap than the second material, it is true, but the structured application makes it possible to obtain a higher net exciton density in gallium phosphide, in particular on faces or isoelectronic wires than according to known methods. Furthermore, because the matrix material does not itself present of unwanted recombination centers, we obtained an LED with

un rendement plus élevé.higher yield.

le dispositif selon la figure 6 présente un laser semicon-  the device according to FIG. 6 presents a semi-laser

ducteur 11 composé par un substrat 12 en arséniure de gallium de  conductor 11 composed of a substrate 12 of gallium arsenide

type N à dopage élevé (Ga As) sur lequel sont formées plusieurs cou-  type N with high doping (Ga As) on which several layers are formed

ches par croissance à l'aide d'épitaxie à faisceau moléculaire ou  ches by growth using molecular beam epitaxy or

d'épitaxie en phase de vapeur métallo-organique -Le substrat 12 pré-  metallo-organic vapor phase epitaxy -The substrate 12 pre-

sente par exemple une épaisseur de 200 micromètres et est dopé à l'aide d'environ 5 1018 atomes de sélénium/cm 3 Sur ce substrat sont appliquées respectivement une couche 13 en arséniure de gallium (Ga As) à dopage élevé d'une épaisseur d'environ 0,5 micromètre et un dopage de 3 1018 atomes de sélénium/cm 3, une couche 14 en  feels for example a thickness of 200 micrometers and is doped with the aid of approximately 5 1018 selenium atoms / cm 3 On this substrate are applied respectively a layer 13 of gallium arsenide (Ga As) with high doping of a thickness about 0.5 micrometer and doping of 3 1018 selenium atoms / cm 3, a layer 14 in

Ga%,8 A 10,2 As de type N à dopage élevé (environ 1,5 1018 ato-  Ga%, 8 A 10.2 As doped N-type As (about 1.5 1018 ato-

mes de sélénium/cm 3) d'une épaisseur d'environ 0,5 micromètre et une couche de type N 15 en arséniure d'aluminium d'une épaisseur de  of selenium / cm 3) with a thickness of approximately 0.5 micrometer and a layer of type N 15 of aluminum arsenide with a thickness of

1,5 micromètre et à dopage de 8 1016 atomes de sélénium/cm 3.  1.5 micrometer and doped with 8 1016 selenium atoms / cm 3.

254413 z -10- Ensuite est appliquée la couche active 16 d'une épaisseur d'environ 50 nanomètres Cette couche est constituée par un matériau  254413 z -10- Next is applied the active layer 16 with a thickness of about 50 nanometers This layer consists of a material

de matrice en arséniure d'aluminium, dans lequel est/sont appli-  of aluminum arsenide matrix, in which is / are applied

quée(s) de façon structurée une ou plusieurs couches en arséniure de gallilrn d'une façon analogue à la structure de la couche active 3 du  quée (s) in a structured way one or more layers in gallilrn arsenide in a similar way to the structure of the active layer 3 of

LED comme décrit à l'aide des figures 1 à 4.  LED as described using figures 1 to 4.

Le laser comporte en outre une couche de type p 17 en ar-  The laser also has a p-type layer 17 at the rear.

séniure d'aluminium d'une épaisseur de 1,5 micromàtre présentant un  1.5 micrometer thick aluminum seniure with

17 317 3

dopage d'environ 3 1017 atomes/cm de zinc et une couche de con-  doping of approximately 3 1017 atoms / cm of zinc and a layer of con-

tact de type p à dopage élevé 18 présentant un dopage d'environ  high doped p-type tact 18 with doping of approximately

1.1019 atomes/cm 3 et une épaisseur de 0,1 micromètre.  1.1019 atoms / cm 3 and a thickness of 0.1 micrometer.

De plus, le laser 11 est muni de contacts metalliques 19 et 20 pour l'injection de courant Lorsqu'un certain courant de  In addition, the laser 11 is provided with metal contacts 19 and 20 for current injection When a certain current of

seuil est dépassé, le laser 11 va émettre du rayonnement électroma-  threshold is exceeded, the laser 11 will emit electromagnetic radiation

gnétique dans une direction perpendiculaire au plan du dessin.  in a direction perpendicular to the plane of the drawing.

Dans le dispositif selon la figure 6, la largeur de la région active est limitée à par exemple 6 micromètres en réalisant,  In the device according to FIG. 6, the width of the active region is limited to, for example, 6 micrometers by making,

à l'aide de l'électrode 20 qui,fait office de masque, un bombarde-  using the electrode 20 which acts as a mask, a bombard-

ment de protons qui S 'étend jusque dans la région délimitée par la  proton which extends to the region bounded by the

ligne interrompue 21 Ainsi, la région 16 est en majeure partie ren-  broken line 21 So region 16 is mostly

due inactive et l'effet de laser ne s'effectue que dans une bande étroite.  due inactive and the laser effect occurs only in a narrow band.

Le même résultat peut être obtenu par enlèvement par déca-  The same result can be obtained by removal by deca-

page d'une partie de la structure de couches à l'aide de l'électrode 20 qui sert de masque Dans ce cas, on obtient un dispositif conmme  page of part of the layer structure using the electrode 20 which serves as a mask In this case, a device is obtained as

représenté schématiquement sur la figure 7, les chiffres de référen-  shown schematically in Figure 7, the reference figures

ce présentant la même signification que sur la figure 6 D'une façon générale, la cavité obtenue par décapage est remplie plus tard à  this having the same meaning as in FIG. 6 In general, the cavity obtained by pickling is filled later at

l'aide d'un matériau de protection approprié.  using suitable protective material.

Il est évident que l'invention n'est pas limitée aux exem-  It is obvious that the invention is not limited to the examples

ples décrits ci-dessus mais que plusieurs variantes sont possibles  ples described above but that several variants are possible

pour le spécialiste sans sortir du cadre de la présente invention.  for the specialist without departing from the scope of the present invention.

C'est ainsi que plusieurs autres combinaisons de matériaux peuvent  This is how many other combinations of materials can

être choisies pour la couche active, émettant par exemple du rayon-  be chosen for the active layer, for example emitting ray-

nement présentant une plus grande longueur d'onde Pour le matériau de matrice on peut choisir par exemple du phosphure d'indium et pour -11- les couches de l'antimoniure d'indium ou de l'arséniure d'indium De  indation having a longer wavelength For the matrix material one can choose for example indium phosphide and for -11- the layers of indium antimonide or indium arsenide De

plus, il est possible d'utiliser des composés ternaires ou quater-  more, it is possible to use ternary or quater-

naires choisis de façon appropriée De plus, comme on l'a déjà men-  Appropriately chosen naires In addition, as already mentioned

tionné ci-dessus, il est possible d'appliquer des structures de fil  mentioned above, it is possible to apply wire structures

au lieu de structures de couche.instead of layer structures.

De plus, au lieu d'injection de courant, il est possible d'utiliser l'injection d'électrons, par exemple dans le cas o une couche d'une composition mentionnée ci-dessus est utilisée dans un dispositif comme décrit dans la demande de brevet néerlandais  In addition, instead of current injection, it is possible to use electron injection, for example in the case where a layer of a composition mentioned above is used in a device as described in the application. Dutch patent

N 8300631 au nom de la Demanderesse.  N 8300631 in the name of the Applicant.

-12--12-

Claims (9)

REVENDICATIONS 1 Dispositif semiconducteur servant à engendrer du rayonne-  1 Semiconductor device used to generate rayon- ment électromagnétique dans une région semiconductrice active d'un premier matériau, matériau de matrice qui est muni d'une façon structurée d'un deuxième matériau, caractérisé en ce que le deuxième  electromagnetic in an active semiconductor region of a first material, matrix material which is provided in a structured manner with a second material, characterized in that the second matériau est appliqué soul forme de fil ou de couche et les dimen-  material is applied in the form of a wire or layer and the dimensions sions du fil ou respectivement de la couche, vues dans une direction  sions of the wire or the layer respectively, seen in one direction perpendiculaire au fil ou respectivement à la couche, sont au maxi-  perpendicular to the wire or respectively to the layer, are at most mum égales à l'épaisseur de deux couches moléculaires du deuxième matériau semiconducteur, et vue dans la direction longitudinale du fil ou respectivement de la couche, la dimension est égale à au  mum equal to the thickness of two molecular layers of the second semiconductor material, and seen in the longitudinal direction of the wire or respectively of the layer, the dimension is equal to the moins cent fois l'épaisseur du fil ou respectivement de la couche.  minus a hundred times the thickness of the wire or the layer respectively. 2 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, carac-  2 semiconductor device according to claim 1, charac- térisé en ce que le premier matériau semiconducteur présente un plus  terized in that the first semiconductor material has more grand écartement de bande que le deuxième matériau.  larger band spacing than the second material. 3- Dispositif semiconducteur selon la revendication 2, carac-  3- semiconductor device according to claim 2, charac- térisé en ce que la structure du deuxième matériau semiconducteur présente plusieurs fils ou couches écartés les uns des autres d'une distance supérieure à l'épaisseur de huit couches monomoléculaires  terized in that the structure of the second semiconductor material has several wires or layers spaced apart from each other by a distance greater than the thickness of eight monomolecular layers du premier matériau semiconducteur.  of the first semiconductor material. 4 Dispositif semiconducteur selon la revendication 2, carac-  4 semiconductor device according to claim 2, charac- térisé en ce que le premier matériau semiconducteur est constitué  terized in that the first semiconductor material is made par de l'arséniure d'aluminium et le deuxième matériau semiconduc-  with aluminum arsenide and the second semiconductor material teur est constituée par de l'arséniure de gallium.  tor consists of gallium arsenide. 5 Dispositif semiconducteur selon la revendication 2, carac-  5 semiconductor device according to claim 2, charac- térisé en ce que le premier matériau semiconducteur est constitué par du phosphure d'aluminium et le deuxième matériau semiconducteur  terized in that the first semiconductor material consists of aluminum phosphide and the second semiconductor material est constituée par du phosphure de gallium.  consists of gallium phosphide. 6 Dispositif semiconducteur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche ou la section du fil  6 semiconductor device according to claim 4 or 5, characterized in that the thickness of the layer or the section of the wire est d'au maximum 0,6 nanomntre.is at most 0.6 nanometers. 7 Dispositif semiconducteur selon la revendication 1, carac-  7 semiconductor device according to claim 1, charac- térisé en ce que le premier matériau semiconducteur est constitué par du phosphure de gallium et le deuxième matériau semiconducteur  terized in that the first semiconductor material consists of gallium phosphide and the second semiconductor material est constitué par du nitrure de gallium.  consists of gallium nitride. 2544 1 332544 1 33 -13--13- 8 Diode photoémettrice selon l'une des revendications précé-  8 Light emitting diode according to one of the preceding claims. dentes, caractérisée en ce qu'une jonction pn émettrice se trouve entre la région semiconductrice active présentant un premier type de  teeth, characterized in that a pn emitting junction is located between the active semiconductor region having a first type of conduction et une deuxième zone semiconductrice présentant un deu-  conduction and a second semiconductor zone having two xième type de conduction opposé au premier type de conduction.  xth type of conduction opposite to the first type of conduction. 9 Diode photoémettrice selon la revendication 8, caractéri-  9 Light emitting diode according to claim 8, characteristic sée ce que la couche active est appliquée sur une couche du deuxième type de conduction' et la jonction pn est forn Ie davantage par une  sée that the active layer is applied to a layer of the second type of conduction 'and the pn junction is formed more by a région du deuxième type de conduction qui est enfoncée de façon an-  region of the second type of conduction which is depressed in an an- nulaire à travers la couche active.  ring through the active layer. Laser semiconducteur selon l'une des revendications 1 à 7,  Semiconductor laser according to one of Claims 1 to 7, caractérisé en ce que la région semiconductrice active est en forme  characterized in that the active semiconductor region is shaped de couche et se trouve d'un coté entre plusieurs couches semiconduc-  layer and is on one side between several semiconductor layers trices d'un premier type de conduction et, de l'autre coté, entre plusieurs couches semiconductrices d'un deuxième type de conduction  of a first type of conduction and, on the other hand, between several semiconductor layers of a second type of conduction qui est opposé au premier type de conduction.  which is opposed to the first type of conduction.
FR8405233A 1983-04-05 1984-04-03 SEMICONDUCTOR DEVICE FOR GENERATING ELECTROMAGNETIC RADIATION Withdrawn FR2544133A1 (en)

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