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Injektionslaser
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Umwandlung von elektrischer Energie in kohärente Lichtenergie unter Anordnung eines Halbleiterkörpers rechteckförmigen Querschnittes, der sowohl einen in Strahlrichtung des kohärenten Lichtes verlaufenden PN-Übergang als auch in dieser Richtung eine wesentlich grössere Ausdehnung besitzt als in der hiezu senkrechten Richtung, und dessen PN-Übergang zur Injektion von Ladungsträgern in Flussrichtung vorgespannt ist, dadurch gelöst, dass die Stromdichte der injizierten Ladungsträger oberhalb eines Schwellenwertes liegt, von dem ab sowohl die Lichtintensität überproportional ansteigt als auch das Spektrum des Ausgangslichtes sich im wesentlichen auf eine einzige Emissionslinie einschränkt,
dass dessen zur Strahlrichtung senkrecht liegende Stirnflächen jeweils über ihre gesamte Fläche mit für das Ausgangslicht wirksamen Reflektoren zusammenwirken und dass die Halbleiterelektroden sich mindestens nahezu über die gesamte Breite und Länge des Halbleiterkörpers erstrecken.
In der Vorzugsrichtung ist dabei nicht nur der erforderliche Schwellenwert der Stromdichte der injizierten Ladungsträger wesentlich niedriger als der Schwellenwert in der hiezu senkrechten Richtung, sondern dieser Schwellenwert ist gleichzeitig auch viel niedriger als bei Laservorrichtungen, die nicht entsprechend der Erfindung gestaltet sind.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden bei sich über die gesamte Länge erstreckenden Halbleiterelektroden die reflektierenden Flächen jeweils durch eine metallische Schicht gebildet, die durch eine dielektrische Schicht vom Halbleiterkörper isoliert ist, deren Dielektrizitätskonstante zumindest die gleiche Grössenordnung wie die desHalbleiterkörpers aufweist, und wovon eine reflektierend ausgebildet ist.
Bei einem andern Ausführungsbeispiel der Erfindung verläuft die Fläche des PN- Überganges nicht bis an die aus metallischen Schichten bestehenden Endflächen des Halbleiterkörpers, sondern ist jeweils kurz vorher nach oben oder unten abgebogen. Auf diese Weise ergibt sich, dass die sich bis zu den metallischen Schichten erstreckende Halbleiterzone im wesentlichen vollständig von der einen Halbleiterelektrode bedeckt werden kann, während die andere Elektrode in ihrer Längenerstreckung bis nahezu an die
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Weiterbildungsamte Länge und Breite des Halbleiterkörpers erstreckenden Halbleiterelektroden der Halbleiterkörper entweder eine dielektrische total reflektierende Endfläche oder eine isoliert angebrachte, metallische, total reflektierende Endfläche besitzt,
während an der andern Endfläche ein dielektrischer Stab angebracht ist, dessen Dielektrizitätskonstante gleich der des Halbleiterkörpers ist und dessen freie Endfläche eine partiell durchlässige, reflektiernde Schicht aufweist.
Eine weitere Möglichkeit der vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass eine Halbleiterelektrode sich parallel zumPN-Übergang mindestens nahezu über die gesamte Breite und Länge des Halbleiterkörpers erstreckt, während die Gegenelektrode durch mehrere Teilelektroden gebildet wird, die in Aussparungen der entsprechend andern Leitfähigkeitszone des Halbleiterkörpers derart untergebracht sind, dass die Kontaktflächen der Teilelektroden in einer Ebene parallel zum PN-Übergang liegen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die an Hand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der aufgeführten Zeichnungen die Erfindung näher erläutert und aus den Ansprüchen.
Es zeigen : Fig. 1 in perspektivischer Ansicht ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Injektionslasers. Fig. 2 einen Schnitt durch den Laser nach Fig. 1 in der Ebene 2-2. Fig. 3 die Abhängigkeit der Lichtintensität der Maximumslinie von der Stromdichte der injizierten Ladungsträger bei Injektionslasern, bei verschiedenen Schwellen für angeregte Strahlungsemission. Fig. 4 die Abhängigkeit der Linienbreite des abgestrahlten Lichtes vom Strom durch Injektionslaser. Fig. 5, 6,7, 8 und 9 weitere Ausführungsbeispiele des Injektionslasers gemäss der Erfindung.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 besteht aus einem Halbleiterkristall 10, in dem ein PN-Übergang 12 einen P-Bereich 14 von einem N-Bereich 15 trennt. Eine erste ohmsche Kontakt-Elektrode ist auf dem P-Bereich 14 angebracht, und eine zweite ohmsche Kontakt-Elektrode 20 befindet sich auf dem N-Bereich 16. Bei den Elektroden 18 und 20 handelt es sich vorzugsweise um Metallbleche, deren ebene Oberflächen parallel und poliert sind. Die Vorrichtung ist so aufgebaut, dass die Ebene des PN-Überganges im wesentlichen parallel zu den Ebenen der Elektroden 18 und 20 ist und dass alle Oberflächen des Halbleiters 10 vorzugsweise in einem Winkel von 900 zueinander angeordnet sind.
Die Endflächen 22 und 24 sowie die Seitenflächen 26 und 28 liegen also parallel zueinander, und sind darüber hinaus optisch eben. Die Elektroden 18 und 20 sind über eine veränderbare Reihenimpedanz 32 und einen Schalter 34 mit einer als Batterie 30 dargestellten Stromquelle verbunden.
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Wie sich aus Fig. 3, in der die Intensität des abgestrahlten Lichtes in Abhängigkeit von der injizierten Ladungsträgerdichte durch den PN-Übergang dargestellt ist, bei Betrachtung der Kurve 38 ergibt, wächst die Lichtintensität zunächst linear mit der Ladungsträgerdichte, d. h. mit Vorspannung in Durchlassrichtung an.
Erreicht durch Regelung des Vorwiderstandes 32 dieLadungsträgerdichte schliesslich den durch die zugeordnete gestrichelte Linie dargestellten Schwellenwert, dann steigt die Lichtintensität überproportional an, d. h. es entsteht angeregte Strahlungsemission, indem die Emissionslinienbreite sprunghaft auf einen geringen Wert reduziert wird.
Dieser Vorgang ist in Fig. 4 mit Kurve 40 dargestellt, die eine Funktion der Halbwertbreite der
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falls durch die Festkörpereigenschaften bedingt sind, kompensiert. Das abgestrahlte Licht beruht dann so auf einem Wellentyp bei einer Emissionslinie äusserst schmaler Halbwertbreite, wobei die Abstrahlung auf Grund anderer Emissionslinien unterdrückt wird.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Halbleitervorrichtung nach Fig. 1, u. zw. die Fläche des PN-Überganges, die gleich der Breite W und der Länge L ist, wobei L wesentlich grösser als W ist, vorzugsweise mindestens etwa 10 Mal so gross wie W.
Im Betriebszustand der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung werden beim Schliessen des Schalters 34 infolge der Wirkung der injizierten Ladungsträger Photonen erzeugt. Die so erzeugten Photonen wandern in einem relativ dünnen Laser von ihrem jeweiligen Entstehungsort aus entlang des PN-Überganges in viele verschiedenen Richtungen, um das durch angeregte Strahlungsemission erzeugte Licht von den Endund Seitenflächen 22,24, 26 und 28 des Halbleiterkristalles 10 abzustrahlen.
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sorbierend oder stark lichtundurchlässig gemacht werden, immer mehr begünstigt. Da die Endflächen 22 und 24 optisch eben sind, wird ein beträchtlicher Anteil, nämlich 30 - 400/0, des auf sie aus dem Kristall 10 einfallenden Lichtes an diesen Oberflächenbereichen 22,24 reflektiert.
Es entsteht also bei dieser Vorrichtung ein optischer Resonanz-Hohlraum mit stehenden Wellen, wenn er durch die im Injektionslaser erzeugte Strahlungsemission angeregt wird.
Die Endflächen 22 und 24 und die Seitenflächen 26 und 28 können durch an sich bekannte Verfahren, z. B. durch Schleifen und Polieren, optisch eben und parallel zueinander gemacht werden, aber in vorteilhafter Weise kann dies mittels einer an anderer Stelle vorgeschlagenen Abspaltungstechnik durchgeführt werden.
Bei dieser Abspaltungstechnik ergeben sich kristalline Gebilde mit hochpräzisen, optisch flachen Seiten, bestimmter Form und mit festgelegten Abmessungen, indem der Kristall auf einen möglichst grossen Bereich einer kristallographischen Fläche, die senkrecht zu einer kristallographischen Ebene mit minimaler Bindung steht, aufgelegt wird und dann anschliessend eine Spaltungskraft entlang der kristallographischen Ebene mit minimaler Bindung zur Anwendung gebracht wird. Soll z. B. ein rechtwinkeliger Parallelepiped-Kristallkörper aus Galliumarsenid hergestellt werden, dann wird der Ursprungs-Kristallkörper parallel zu seiner kristallographischen [100]-Fläche gehaltert, und die Abspaltungskraft wird senkrecht zur kristallographischen [110]-Fläche entlang der kristallographischen [100]-Ebene des ursprünglichen Galliumarsenidkristalles ausgeübt.
Die zwischen den zwei Endflächen 22 und 24 sich ausbildende Strahlungsart wird nicht nur deswegen begünstigt, weil die optisch ebenen Endflächen 22 und 24 für diese Strahlungsart einen optischen Resonanz-Hohlraum bilden, sondern auch, weil die sich senkrecht zu den Endflächen 22 und 24 ausbreitende Strahlung in einem relativ grossen Zeitintervall eine weitere Photonen-Emission induzieren kann, wenn diese wiederholt zwischen den Endflächen 22 und 24 hin- und herwandern. Es ergibt sich also, dass diese so bevorzugte Strahlungsart zu einer angeregten Emission bei relativ niedrigen Stromdichteschwellen führen muss, da der grösste Teil der aus den injizierten Ladungsträgern abgeleiteten Energie so gerichtet ist, dass diese noch mehr gefördert wird.
In Fig. 3 ist der Verlauf von drei verschiedenen Kurven 42,38, 46, wovon bereits die Kurve 38 besprochen ist, mit je einem besonderen Schwellenwert dargestellt. Kurve 38 stellt demnach die Lichtintensität des Linienmaximums für das ausgestrahlte Licht in Abhängigkeit von der Stromdichte für
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injizierte Ladungsträger beiinjektionslasern ohneResonanzeffekt dar. Diese Kurve 38 ist nahezu linear bei niedrigen Stromdichten, aber bei höheren Stromdichten wird der Verlauf plötzlich äusserst steil, so dass sich eine Schwelle für die angeregte Strahlungsemission ergibt. An dieser Schwelle wird gleichzeitig die Linienbreite plötzlich enger, und bei weiterer Stromzunahme herrscht dann die schmale Emissionslinie auf Kosten aller andern Linien vor.
Die Verschmälerung der Emissionslinienbreite bei Injektionslasern ohne Hohlraumwirkung ist in Kurve 40 von Fig. 4 dargestellt, wo generell die Emissionslinienbreite in halber Höhe der Linie mit AE bezeichnet ist. Der steile Abfall der Kurve 40 liegt in der Grössenordnung von 104 bis 105 A/cm2. Bei Injektionslasern mit einer Länge, die wesentlich grösser als die Breite ist wird diese Schwelle für angeregte Strahlungsemission beträchtlich reduziert, wie der Kurve 42 in Fig. 3 zu entnehmen ist. Die plötzliche Verringerung der Emissionslinienbreite wird hier schon bei Stromdichten erreicht, die wesentlich unter 104 A/cm2 liegen (Kurve 44 in Fig. 4).
Es ist schon erwähnt worden, dass die Seitenflächen 26 und 28 optisch eben und parallel zueinander sein können ; dies hat aber dann zur Folge, dass ein Wellentyp zwischen den Seitenflächen 26 und 28 erzeugt wird. Es ist festgestellt worden, dass so zwar ein Wellentyp zwischen den Seitenflächen 26 und 28 entsteht, dass aber die Schwelle der angeregten Strahlungsemission, oberhalb welcher sich ein relativ intensives Licht durch die Seitenflächen 26 und 28 ausbreitet, hiebei beträchtlich höher ist als die Schwelle der Injektionslaser ohne Hohlraumwirkung, wie Kurve 46 von Fig. 3 und Kurve 48 von Fig. 4 zeigen. Dieser höhere Schwellenwert ist verständlich, da ein grosser Anteil der durch die injizierten Ladungsträger erzeugten Energie auf die begünstigte Strahlungsart zwischen den Endflächen 22 und 24 fällt.
Weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Injektionslasers sind in Fig. 5 - 9 dargestellt.
In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Injektionslasers veranschaulicht.
Dieser Laser entspricht dem in Fig. 1 gezeigten, ist aber zusätzlich mit einem auf die Endflächen 22 und 24 aufgebrachten ersten und zweiten reflektierenden Film oder schichtartigen Überzug 50 und 52 versehen. Die Schicht 50 ist so beschaffen, dass l-10% des aus dem Kristall 10 einfallenden Lichtes durchgelassen wird, während das restliche Licht reflektiert wird. Die Schicht 52 soll möglichst total reflektierend sein. Die Schichten 50 und 52 dürfen natürlich keine elektrisch leitenden Überzüge sein, da sonst ein Kurzschluss über den Kristall herbeigeführt würde. Ein inhomogener geschichteter dielektrischer Film erfüllt z. B. die Bedingungen. Durch die zusätzlichen reflektierenden Überzüge wird natürlich die Güte Q des Resonanz-Hohlraumes zwischen den Endflächen 22 und 24 vergrö- ssert.
Fig. 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Lasers, bei dem die metallischen, reflektierenden Schichten 54 und 56 durch geeignete Isolierstreifen 58 bzw. 60 vom Halbleiterkörper elektrisch isoliert sind, deren Brechungsindex vorzugsweise mindestens annähernd gleich dem des Kristalles 10 ist. Die Schicht 54 ist wieder so beschaffen, dass sie für einen kleinen Anteil des aus dem Kristall einfallenden Lichtes durchlässig ist, während die Schicht 56 nahezu das ganze einfallende Licht reflektiert. Das Injektionslaser-Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 führt zu einem relativ hohen Q, etwa der gleichen Grössenordnung wie beim Laser des in Fig. 5 gezeigten zweiten AusführungsbeiSpieles.
Ein in Fig. 7 gezeigtes viertes Ausführungsbeispiel gleicht dem nach Fig. 6 mit der Ausnahme, dass der PN-Übergang 12'nicht bis zu den Enden durchgeht, sondern nach oben abbiegt, so dass die Enden alle demselben Leitungstyp angehören. Daher können die metallischen, reflektierenden Überzüge 54 und 56 direkt auf den Kristall aufgebracht werden, ohne den PN-Übergang kurzzuschliessen.
Fig. 8 zeigt einen Injektionslaser, der zur Verwendung in einem Kühlgefäss vorgesehen ist, und dessen Form so gestaltet ist, dass die Aufrechterhaltung einer niedrigen Temperatur in dem Kristall 10 erleichtertwird. Dieser Laser hat einen P-Bereich 14'mit mehreren Aussparungen 62, auf deren Böden jeweils eine Elektrode 18'an den P-Bereich 14'angeschlossen ist. Infolge dieser Gestaltung steht ein relativ grösser Oberflächenbereich zur Wärmeableitung aus dem Kristall zur Verfügung, wobei aber ausserdem ein relativ niedriger Widerstand zwischen den Elektroden 18'und 20 beibehalten wird.
Ein letztes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 9 gezeigt. Dort ist der reflektierende Überzug 52 von der Schicht 50 durch einen Abstand getrennt, der grösser als die Länge des Kristalles 10 ist. An einem Ende des Kristalles 10 ist ein lichtdurchlässiger Stab 64 angebracht, dessen Brechungsindex mindestens annähernd gleich dem des Kristalles 10 ist, und dessen freies Ende dann die Schicht 52 trägt. Durch eine so herbeigeführte Vergrösserung des Abstandes zwischen den reflektierenden Schichten 50 und 52 entsteht ein relativ stärker gerichteter Lichtstrahl am Ausgang des Injektionslasers.
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Falls noch geringere Emissionslinienbreiten gefordert werden, kann der Injektionslaser nach der Erfindung bei sehr tiefen Temperaturen betrieben werden, z. B. bei der Temperatur flüssigen Stickstoffes.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Optischer Sender oder Verstärker zur unmittelbaren Umwandlung von elektrischer Energie in kohärente Lichtenergie unter Anwendung eines Halbleiterkörpers rechteckförmigen Querschnittes, der sowohl einen in Strahlrichtung des kohärenten Lichtes verlaufenden PN-Übergang als auch in dieser Richtung eine wesentlich grössere Ausdehnung besitzt als in der hiezu senkrechten Richtung, und dessen PN- Übergang zur Injektion von Ladungsträgern in Flussrichtung vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromdichte der injizierten Ladungsträger oberhalb eines Schwellenwertes liegt, von dem ab sowohl die Lichtintensität überproportional ansteigt als auch das Spektrum des Ausgangslichtes sich im wesentlichen auf eine einzige Emissionslinie einschränkt, dass dessen zur Strahlrichtung (36) senkrecht liegende Stirnflächen (22, 24)
jeweils über ihre gesamte Fläche mit für das Ausgangslicht wirksamen Reflektoren (50,52) zusammenwirken und dass die Halbleiterelektroden (18,20) sich mindestens nahezu über die gesamte Breite und Länge des Halbleiterkörpers (10) erstrecken.