Optisches Halbleitergerät Für Halbleitergeräte, insbesondere für elektrische Halbleitergeräte, werden als Halbleiterkörper halb leitende Verbindungen vom Typ AIIiBv verwendet. Unter AiiiBv-Verbindungen werden solche Verbin dungen verstanden, deren eine Komponente ein Ele ment der 11I. Gruppe des periodischen Systems und deren andere Komponente ein Element der V. Gruppe des periodischen Systems bildet.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Halbleitergerät, bei dem der aus einer A1IIBv-Verbindung bestehende Halbleiterkörper einen optisch wirksamen Teil (optisches Element) des Ge rätes bildet.
Bei den als Halbleiterkörper zu verwendenden halbleitenden Verbindungen vom Typ AI1iBv handelt es sich um Nachbildungen der seit langem bekannten und in elektrischen, optischen und andern Anwendungs gebieten als Halbleiter verwendeten Elemente der IV. Gruppe des periodischen Systems C, Si, Ge, Sn, und zwar nicht nur in struktureller Hinsicht, sondern auch bezüglich weiterer physikalisch-chemischer Eigen schaften, insbesondere hinsichtlich der spezifischen Halbleitereigenschaften, wie z. B. der Trägerbeweglich keit oder der Breite der verbotenen Zone.
Für die vorliegende Erfindung ist von besonderer Bedeutung, dass die halbleitenden A1iiBv-Verbindun- gen Breiten der verbotenen Zone aufweisen, die in enger Folge zwischen den Werten der Breite der ver botenen Zone der Elemente der IV. Gruppe des periodischen Systems liegen. Insbesondere sind durch gewisse Halbleiterverbindungen dieses Typs diejenigen Bereiche der verbotenen Zone zu erfassen, die, wie umfangreiche Untersuchungen der Anmelderin er geben haben, im ultraroten und sichtbaren Spektral bereich bemerkenswerte und überraschende optische Eigenschaften ergeben.
Erfindungsgemäss werden. diese speziellen Halb leitereigenschaften der AIIIBv-Verbindungen zur Her stellung von optischen Halbleitergeräten ausgenutzt. Unter einem optischen Halbleitergerät im Sinne der Erfindung wird ein Gerät verstanden, bei dem ein Halbleiterkörper als optisches -Element verwendet ist und dessen Wirkungsweise auf den durch die spezifi schen Halbleitereigenschaften bedingten optischen Eigenschaften des verwendeten Halbleiterkörpers be ruht. Der Halbleiterkörper als optisch wirksamer Teil kann dabei z. B. als Linse oder Linsensystem, als Prisma, Filter, filterndes Fenster, filterndes Gefäss oder halbdurchlässiger Spiegel ausgebildet sein.
Die Eigenschaften der halbleitenden Verbindungen vomTyp AiiiBv, von denen erfindungsgemäss Gebrauch gemacht wird zur Verwendung dieser Verbindungen als optische Elemente in Halbleitergeräten, werden in drei Beispielen in den Diagrammen der Zeichnung dargestellt.
In diesen ist jeweils auf der untern Abszisse die Wellenlänge in Mikron (u), auf der obern Abszisse die Energie E der Photonen, der die betreffende Probe ausgesetzt wurde, in Elektronen-Volt (eV), auf der linken Ordinate die Absorptionskonstante K und auf der rechten Ordinate der Brechungsindex n der jeweils untersuchten AiiiBv-Probe aufgetragen.
Die Dia gramme beziehen sich in: Fig. 1 auf Indiumphosphid (InP), Fig. 2 auf Indiumantimonid (InSb), Fig. 3 auf Galliumphosphid (GaP).
Aus dem Diagramm der Fig. 1 erkennt man, dass Indiumphosphid - Breite der verbotenen Zone .p. 1,25 eV - im Spektralbereich zwischen 1,u und etwa 14,u, also im kurzwelligen Ultrarotbereich, praktisch völlig durchlässig ist. Im gleichen Spektralbereich weist, wie die Fig. 1 weiter zeigt, Indiumphosphid einen verhältnismässig sehr hohen Brechungsindex, nämlich von etwa n = 3, auf.
Dieser ist annähernd konstant von etwa 5,u bis etwa 15,u. Nach kürzeren Wellenlängen hin nimmt der Brechungsindex zu. In diesem Bereich weist also Indiumphosphid eine be trächtliche Dispersion auf. Erfindungsgemäss kann von diesen Eigenschaften Gebrauch gemacht werden zur Herstellung von Halbleitergeräten, bei denen die halbleitende Verbindung als optisches Element für den ultraroten Spektralbereich verwendet ist, wie z. B. als Linse, Prisma, Filter oder filterndes Gefäss zur Aufnahme optisch zu behandelnder Substanzen. Ins besondere kann die verhältnismässig hohe Dispersion zur Herstellung von Geräten, bei denen es auf eine derartig hohe Dispersion ankommt, wie z.
B. bei Dis persionsprismen oder bei achromatischen Systemen ausgenutzt werden.
Besonders bemerkenswert ist die Steilheit der kurz welligen Absorptionskante. Die Lage dieser Kante ist durch die Breite der verbotenen Zone des Halbleiteis bedingt und ist gegeben durch die Energiegrenze, oberhalb derer die Energie eingestrahlter Photonen ausreicht, Elektronen vom Valenzband in das Leitungs band zu heben.
Die Steilheit der Absorptionskante ist für die ge nannten Anwendungen deshalb von grosser Bedeutung, weil dadurch eine scharfe Begrenzung des Durch lässigkeitsbereiches gegeben ist.
Aus dem Diagramm der Fig. 2 geht hervor, dass Indiumantimonid - Breite der verbotenen Zone 0,17 eV - oberhalb einer Wellenlänge von etwa 8,u bis 10,u eine sehr geringe Absorption aufweist und daher in diesem nach der kurzwelligen Seite hin scharf abgegrenzten Bereich praktisch durchlässig ist. Der Brechungsindex liegt bei etwa n = 4 und zeigt eine geringe Dispersion. Hieraus ergeben sich entsprechend den Ausführungen zu Fig. 1 analoge technische An wendungen.
Wie Fig. 3 zeigt, liegt die Absorptionskante bei Galliumphosphid - Breite der verbotenen Zone ,-- 2,3 eV - bei 0,54,u. Oberhalb dieser Wellenlänge, also in einem beträchtlichen Teil des sichtbaren Spek- tralbereiches, weist Indiumphosphid eine sehr geringe Absorption auf. Es ist also in diesem sichtbaren Bereich durchlässig und kann erfindungsgemäss für optische Geräte, von der Art, wie sie unter Fig. 1 genannt sind, für den sichtbaren Bereich verwendet werden.
Dabei ist weiterhin von Wichtigkeit, dass Galliumphosphid in dem dargestellten Wellenlängenbereich einen Bre chungsindex von etwa n = 3,2-3,5 und eine im sicht baren Bereich besonders ausgeprägte Dispersion auf weist. Auf Grund dieser Eigenschaften kann GaP in Linsensystemen oder andern optischen Systemen auch zur Beseitigung von Linsen- oder entsprechenden Fehlern, insbesondere von chromatischen Fehlern, vorzugsweise benutzt werden. Die besondere Be deutung des GaP ist ausserdem in der Tatsache zu sehen, dass es einen n -Wert aufweist, der erheblich über demjenigen der optischen Materialien liegt, die bisher in Fällen, bei denen es auf einen besonders hohen Brechungsindex ankommt, verwendet wurden.
Als Beispiel und zum Vergleich ist im Diagramm der Fig. 3 die n-Kurve für einen bisher für solche Zwecke ge bräuchlichen Thallium-Bromid-Jodid-Mischkristall eingetragen.
In der Fig. 3 ist auf der rechten Ordinate neben dem Brechungsindex noch der Reflexionskoeffizient R auf getragen und die Reflexionskurve eingezeichnet. In Anwendungsfällen, bei denen die Reflexion stört, kann sie durch Anbringung, z. B. durch Aufdampfen, von reflexionsvermindernden Schichten beseitigt oder her abgesetzt werden.
Der verhältnismässig hohe Brechungsindex der in den Fig. 1 bis 3 als Beispiel besprochenen Verbin dungen ergibt neben den bereits genannten Anwen dungen die Möglichkeit, die hohe Reflexion ihrer Oberfläche gegenüber dünneren Medien, insbesondere gegenüber Luft oder Vakuum, zur Aufteilung auf fallender Strahlung des ultraroten und sichtbaren Spektralbereiches auszunutzen.
Und zwar ergibt sich für die Intensität des direkt reflektierten Strahls auf Grund der Fresnelschen Formel R = (n - 1)2/(11-f-1)2 für n = 4 eine Reflexion von 36 /p. Unter Ausnutzung von Mehrfachreflexionen ist mit den hier gegebenen hohen Werten des Brechungsindexes leicht zu erreichen, dass die Hälfte oder mehr der auffallenden Lichtintensi tät reflektiert und die Restintensität ohne nennenswerte Absorptionsverluste durchgelassen wird. Diese Eigen schaft kann zur Herstellung halbdurchlässiger Spie gel ausgenutzt werden. Dabei ist der Begriff halb durchlässig im weiten Sinne des in der Optik üblichen Sprachgebrauches, also nicht an eine fünfzigprozentige Durchlässigkeit gebunden, sondern allgemein als Teildurchlässigkeit aufzufassen.
Geräte, die von dem eben beschriebenen speziellen Anwendungsfalle der Erfindung Gebrauch machen, zeichnen sich gegenüber den bekannten Ausführungen und neben den bereits beschriebenen allgemeinen Vorteilen des erfindungs gemässen Halbleitergerätes insbesondere dadurch aus, dass sie in einem verhältnismässig breiten Spektral bereich verwendbar sind.
Weitere Untersuchungen haben ergeben, dass sich durch Änderung der Ladungsträgerdichte, z. B. durch Injektion von Ladungsträgern (Elektronen und/oder Defektelektronen), die in bekannter Weise beispiels weise mit Emittern erfolgen kann, die Absorptions kurve, insbesondere die Lage der Absorptionskante, variieren lässt. Von diesem Effekt kann zur Modulation von Lichtströmen, also zur Herstellung eines Photo- modulators Gebrauch gemacht werden.
Solche Photo- modulatoren sind mit Germanium oder Silizium als Halbleiterkörper bereits vorgeschlagen worden; sie eignen sich aber nur für den ultraroten Spektralbereich. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, solche Geräte auch für den sichtbaren Bereich herzustellen.
Neben den als Beispiele oben aufgeführten Ver bindungen eignen sich für die vorliegende Erfindung unter der grossen Zahl der halbleitenden AiiiBv- Verbindungen insbesondere Verbindungen eines der Elemente Bor (B), Aluminium (A1), Gallium (Ga), Indium (In) mit einem der Elemente Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb). Die sich aus diesen Komponenten ergebenden Verbindungen be zeichnen wir als AiiiBv-Verbindungen im engeren Sinne ; sie sind bereits im Hauptpatent Nr. 310622 als von besonderer Bedeutung hervorgehoben.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen neuen optischen Elemente - neben den beschriebenen optischen Eigenschaften - ist ihre grosse mechanische Festigkeit und Härte, weiterhin ihre chemische Wider standsfähigkeit. Das letztere wird verständlich, wenn man z. B. die im gleichen ultraroten Spektralbereich gebräuchlichen Alkalihalogenide, z. B. Steinsalz, in Vergleich zieht, die im allgemeinen neben ihrer mecha nischen Empfindlichkeit auch meist nur eine geringe chemische Widerstandsfähigkeit, insbesondere gegen über Wasser, also auch gegenüber dem Feuchtig keitsgehalt der Luft, aufweisen.
Optical semiconductor device For semiconductor devices, in particular for electrical semiconductor devices, semi-conductive connections of the AIIiBv type are used as semiconductor bodies. AiiiBv compounds are understood to be compounds of which one component is an element of 11I. Group of the periodic table and its other component forms an element of the fifth group of the periodic table.
The present invention relates to an optical semiconductor device in which the semiconductor body consisting of an A1IIBv compound forms an optically effective part (optical element) of the device.
The semiconducting compounds of the AI1iBv type to be used as semiconductor bodies are replicas of the elements of group IV of the periodic system C, Si, Ge, Sn, which have been known for a long time and are used as semiconductors in electrical, optical and other fields of application not only in structural terms, but also with regard to other physical-chemical properties, especially with regard to the specific semiconductor properties, such as. B. the mobility of the carrier or the width of the prohibited zone.
It is of particular importance for the present invention that the semiconducting A1iiBv compounds have widths of the forbidden zone which lie in close succession between the values of the width of the forbidden zone of the elements of group IV of the periodic system. In particular, those areas of the forbidden zone are to be detected by certain semiconductor compounds of this type which, as extensive investigations by the applicant have given, result in remarkable and surprising optical properties in the ultra-red and visible spectral range.
According to the invention. these special semi-conductor properties of the AIIIBv connections are used to manufacture optical semiconductor devices. An optical semiconductor device in the context of the invention is understood to mean a device in which a semiconductor body is used as an optical element and its mode of operation is based on the optical properties of the semiconductor body used due to the specific semiconductor properties. The semiconductor body as an optically effective part can, for. B. as a lens or lens system, as a prism, filter, filtering window, filtering vessel or semi-transparent mirror.
The properties of the semiconducting compounds of the AiiiBv type, of which use is made according to the invention for the use of these compounds as optical elements in semiconductor devices, are shown in three examples in the diagrams of the drawing.
The lower abscissa shows the wavelength in microns (u), the upper abscissa shows the energy E of the photons to which the sample in question was exposed in electron volts (eV), the left ordinate shows the absorption constant K and the right ordinate of the refractive index n of the AiiiBv sample examined in each case plotted.
The diagrams relate in: Fig. 1 to indium phosphide (InP), Fig. 2 to indium antimonide (InSb), Fig. 3 to gallium phosphide (GaP).
From the diagram in FIG. 1 it can be seen that indium phosphide - width of the forbidden zone .p. 1.25 eV - in the spectral range between 1. u and about 14, u, i.e. in the short-wave ultrared range, is practically completely transparent. In the same spectral range, as FIG. 1 also shows, indium phosphide has a relatively very high refractive index, namely of approximately n = 3.
This is approximately constant from about 5 u to about 15 u. The refractive index increases towards shorter wavelengths. In this area, therefore, indium phosphide has a considerable dispersion. According to the invention, use can be made of these properties for the production of semiconductor devices in which the semiconducting compound is used as an optical element for the ultra-red spectral range, such as e.g. B. as a lens, prism, filter or filtering vessel for receiving substances to be optically treated. In particular, the relatively high dispersion can be used for the production of devices in which such a high dispersion is important, such as.
B. in Dis persion prisms or achromatic systems are used.
The steepness of the short, wavy absorption edge is particularly remarkable. The position of this edge is determined by the width of the forbidden zone of the semiconductor and is given by the energy limit above which the energy of the incident photons is sufficient to lift electrons from the valence band into the conduction band.
The steepness of the absorption edge is of great importance for the applications mentioned, because it gives a sharp limit to the permeability range.
The diagram in FIG. 2 shows that indium antimonide - width of the forbidden zone 0.17 eV - has a very low absorption above a wavelength of about 8 u to 10 u and is therefore sharply demarcated on the short-wave side Area is practically permeable. The refractive index is around n = 4 and shows little dispersion. This results in analogous technical applications in accordance with the explanations relating to FIG.
As FIG. 3 shows, the absorption edge for gallium phosphide - width of the forbidden zone - 2.3 eV - is 0.54, u. Above this wavelength, that is to say in a considerable part of the visible spectral range, indium phosphide shows very little absorption. It is therefore permeable in this visible range and according to the invention can be used for optical devices of the type mentioned under FIG. 1 for the visible range.
It is also important that gallium phosphide has a refractive index of approximately n = 3.2-3.5 in the wavelength range shown and a particularly pronounced dispersion in the visible range. On the basis of these properties, GaP can preferably also be used in lens systems or other optical systems to eliminate lens defects or corresponding defects, in particular chromatic defects. The special importance of GaP can also be seen in the fact that it has an n value that is considerably higher than that of the optical materials that have been used up to now in cases where a particularly high refractive index is important.
As an example and for comparison, the n-curve is entered in the diagram of FIG. 3 for a thallium bromide-iodide mixed crystal which has been used for such purposes.
In FIG. 3, on the right ordinate, in addition to the refractive index, the reflection coefficient R is also drawn and the reflection curve is drawn. In applications where the reflection interferes, it can by attachment, for. B. removed by vapor deposition, or removed from reflection-reducing layers.
The relatively high refractive index of the compounds discussed in Figs. 1 to 3 as an example results in addition to the applications already mentioned, the possibility of the high reflection of their surface against thinner media, especially against air or vacuum, to split on falling radiation of the ultra-red and the visible spectral range.
In fact, for the intensity of the directly reflected beam, based on the Fresnel formula R = (n - 1) 2 / (11-f-1) 2 for n = 4, a reflection of 36 / p results. With the use of multiple reflections, with the high values of the refractive index given here, it is easy to achieve that half or more of the incident light intensity is reflected and the remaining intensity is transmitted without significant absorption losses. This property can be used to produce semi-permeable mirrors. The term semi-permeable in the broad sense of the common usage in optics, i.e. not tied to fifty percent permeability, but generally to be understood as partial permeability.
Devices that make use of the special application case of the invention just described are distinguished from the known designs and in addition to the general advantages of the semiconductor device according to the invention already described in that they can be used in a relatively wide spectral range.
Further studies have shown that changing the charge carrier density, e.g. B. by injection of charge carriers (electrons and / or holes), which can be done in a known manner, for example with emitters, the absorption curve, in particular the position of the absorption edge, can vary. This effect can be used to modulate luminous fluxes, that is to say to produce a photo modulator.
Such photo modulators have already been proposed with germanium or silicon as the semiconductor body; however, they are only suitable for the ultra-red spectral range. The present invention makes it possible to manufacture such devices for the visible range as well.
In addition to the compounds listed above as examples, compounds of one of the elements boron (B), aluminum (A1), gallium (Ga), indium (In) with one of the large number of semiconducting AiiiBv compounds are suitable for the present invention Elements nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb). The compounds resulting from these components are called AiiiBv compounds in the narrower sense; they are already highlighted in main patent no. 310622 as being of particular importance.
A particular advantage of the new optical elements according to the invention - in addition to the optical properties described - is their great mechanical strength and hardness, and also their chemical resistance. The latter is understandable if one z. B. the common in the same ultra-red spectral range alkali halides, z. B. rock salt, pulls in comparison, which in general in addition to their mechanical sensitivity also usually only a low chemical resistance, especially against water, so also against the Moisture content of the air.