DE1183174B

DE1183174B - Optischer Halbleiterdioden-Sender oder -Verstaerker

Info

Publication number: DE1183174B
Application number: DEN24641A
Authority: DE
Inventors: Gesinus Diemer
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1963-03-22
Filing date: 1964-03-18
Publication date: 1964-12-10
Also published as: GB1047301A; SE316249B; US3456209A; JPS5029797B1; CH423023A; NL145106C; BE645531A; JPS4832943B1; NL290588A; JPS5029798B1

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H Ol r;

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H 05 b

Deutsche KX: 2If-90

N 24641 VIII c/21 f
18. März 1964
10. Dezember 1964

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterdioden-Sender, dessen selektiv fluoreszentes Halbleitermedium zwischen einer p-leitenden und einer n-leitenden Zone eine p-n-Übergangsschicht enthält, wobei wenigstens eine dieser Zonen eine so hohe Konzentration an die Leitungsart bestimmenden Störstellen hat, daß an der Übergangsschicht durch Injektion freier Ladungsträger angeregte Elektrolumineszenz einer Rekombinationsstrahlung und somit ein im wesentlichen praktisch parallel zur, Übergangsschicht verlaufendes Strahlungsbündel erzeugt werden kann. Die Rekombinationsstrahlung besteht z. B. aus sichtbarem Licht oder aus Infrarotstrahlung.

Unter einer p-n-Übergangssicht wird in der üblichen Weise ein p-n-Ubergang oder, wenn eine praktisch eigenleitende Schicht vorhanden ist, ein p-i-n-Ubergang verstanden.

Bekannte Halbleiterdioden-Sender haben einen p-n-Übergang, der die gemeinsame Grenzfläche der p-leitenden und η-leitenden Zonen bildet und bei dem aus der p-leitenden Zone freie Ladungsträger in Form von Löchern in einen angrenzenden Teil der n-leitenden Zone bzw. aus der η-leitenden Zone freie Ladungsträger in Form von Elektronen in einen angrenzenden Teil der p-leitenden Zone injiziert werden können. Eine zu diesen angrenzenden Teilen gehörende, den p-n-Übergang umfassende Schicht bildet die für die angeregte Emission von Rekombinationsstrahlung wirksame Schicht.

Um eine für die Anregung der selektiven Fluoreszenz genügend starke Injektion freier Ladungsträger zu ermöglichen, muß die p-leitende und/oder die n-leitende Zone hoch dotiert sein, d. h., muß in der p-leitenden Zone wenigstens mehr als die Hälfte der Anzahl der verfügbaren Niveaus je Volumen im Valenzband durch freie Ladungsträger und/oder in der η-leitenden Zone wenigstens mehr als die Hälfte der Anzahl der verfügbaren Niveaus je Volumen im Leitungsband durch freie Ladungsträger besetzt sein.

Unter Emission einer Rekombinationsstrahlung wird in der üblichen Weise Emission einer Strahlung verstanden, die durch Rekombination eines Elektrons im Leitungsband mit einem Loch im Valenzband, gegebenenfalls über ein dazwischenliegendes Energieniveau im verbotenen Band zwischen den Valenz- und Leitungsbändern, herbeigeführt wird.

Erfolgt diese Emission ohne Beeinflussung durch bereits vorhandene Strahlung, so wird dies als spontane Emission von Rekombinationsstrahlung bezeichnet.

Erfolgt diese Emission unter der Einwirkung einer Strahlung (anregender Strahlung) mit der gleichen Frequenz wie die der Rekombinationsstrahlung, so Optischer Halbleiterdioden-Sender
oder -Verstärker

Anmelder:

N. V. Philips Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. E. Walther, Patentanwalt,

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Gesinus Diemer, Eindhoven (Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 22. März 1963 (290 588)

wird dies als induzierte Emission einer Rekombinationsstrahlung bezeichnet. Die Rekombinationsstrahlung addiert sich in diesem Fall zur anregenden Strahlung und ist mit dieser gleichphasig und in Wechselbeziehung. Die selektive Fluoreszenz kann entweder durch anregende Strahlung, die durch spontane Emission von Rekombinationsstrahlung entstanden ist, oder durch von außen her zugeführte anregende Strahlung in Gang gesetzt werden.

Ein optischer Halbleiterdioden-Sender oder -Verstärker enthält üblicherweise zwei optisch reflektierende Glieder, zwischen denen die anregende Strahlung durch die wirksame Schicht hindurch hin- und herbewegen kann, wodurch sich fortwährend angeregte Rekombinationsstrahlung zur anregenden Strahlung addieren kann. Die durch Rekombination herbeigeführte Verringerung der Anzahl der freien Ladungsträger in der wirksamen Schicht muß durch die vorerwähnte Injektion freier Ladungsträger ausgegleichen werden.

Mindestens eins der Reflexionsglieder ist teilweise durchlässig, wodurch dauernd Strahlung austreten kann. Diese austretende Strahlung ist kohärent, und der optische Sender ist somit eine Quelle kohärenter Strahlung, z. B. kohärenten sichtbaren Lichtes oder kohärenter Infrarotstrahlung.

Die Reflexionsglieder sind z. B. zwei einander gegenüberliegende parallele Oberflächen des Halbleiterkörpers, die gegebenenfalls mit einer spiegelnden

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Schicht versehen sind und sich quer zur wirksamen Konzentration an die Leitungsart bestimmenden

Schicht erstrecken. Dotierungsstoffen aufweist, daß bei der Übergangs-

Die anregende Strahlung muß die wirksame Schicht schicht durch Injektion freier Ladungsträger angeregte praktisch senkrecht zur Richtung ihrer Schichtdicke Emission einer Rekombinationsstrahlung und somit durchlaufen, um die selektive Fluoreszenz möglichst 5 ein Strahlungsbündel praktisch parallel zur Übergünstig verlaufen zu lassen. gangsschicht erzeugbar ist, dadurch gelteonzeicnnei;

Die Erfindung beruht auf den folgenden Er- daß im Halbleiterkörper beiderseits der Übergangs^

wägungen: schicht in einer zur Übergangsschicht praktisch senk-

Die wirksame Schicht ist notwendigerweise eine rechten Richtung und von ihr her gerechnet, zwischen

dünne Schicht, d. h., diese Schicht ist im Verhältnis io zwei Punkten gemessen, von denen einer in einem

zur Wellenlänge der angeregten Rekombination- _{Abstand weni tens ldch} I _χ _{und der andere in}

strahlung nicht sehr dick, und die Dicke der wirk- ^{e ö} 2 ^m

samen Schicht beträgt z. B. nur ein kleines Vielfaches einem größeren Abstand von wenigstens 30 A_m von

dieser Wellenlänge. Für das Auftreten selektiver der Mitte der Übergangsschicht liegt, eine Abnahme

Fluoreszenz durch Rekombinationsstrahlung ist es 15 des reellen Teiles der Brechzahl von mindestens

nämlich notwendig, daß die in die wirksame Schicht _a

injizierten freien Ladungsträger rasch rekombinieren, 10 A_n,

und dies bedeutet, daß die Diffusionsrekombinations- ä*
länge Idr der freien Ladungsträger in der wirksamen

Schicht klein ist. Da die Dicke der wirksamen Schicht 30 auftritt, wobei α der Abstand an der betreffenden

in der gleichen Größenordnung wie/dr liegt, bedeutet Seite der Übergangsschicht ist, von der Mitte der

dies zugleich, daß diese Schicht dünn ist. Übergangsschicht her gerechnet, in dem die erwähnte

In der üblichen Weise wird unter der Diffusions- Abnahme des reellen Teiles der Brechzahl vorhanden

rekombinationslänge Ur eine Größe verstanden, die ist, und X_m die Wellenlänge der Rekombination*· "

durch 35 strahlung im Hablleitermaterial ist. Der Abstand a

l_dr = Vj) % ist vorzugsweise höchstens gleich 15 A_m.

Unter der Mitte der Übergangsschicht wird hier die

definiert wird, wobei D die Diffusionskonstante der Ebene des zugehörenden p-n-Überganges oder Im

freien Ladungsträger in der wirksamen Schicht und Falle eines p-i-n-Überganges die Mitte der praktisch

τ die Lebensdauer dieser Ladungsträger ist. 3° eigenleitenden Schicht verstanden.

Die geringe Dicke der wirksamen Schicht hat zur Infolge der erwähnten Abnahme des reellen Teiles

Folge, daß eine sich praktisch senkrecht zur Dicken- der Brechzahl werden die Strahlungsverluste erheblich

richtung dieser Schicht und in dieser Schicht bewegende eingeschränkt. Außerdem ist eine leichte Krümmung

Strahlung bestrebt ist, durch Beugung aus ihr zu ent- der Übergangsschicht, die während der Herstellung

weichen, was Strahlungsverluste zur Folge hat, die 35 des optischen Halbleiterdioden-Senders häufig schwer

durch Absorption freier Ladungsträger noch erheblich vermeidlich ist, infolge der Maßnahme gemäß der

im ungünstigen Sinne beeinflußt werden. Erfindung weniger störend.

Außerdem tritt bei den bisher bekannten Halbleiter- Eine Änderung der Brechzahl läßt sich bei einem dioden-Sendern im Betrieb bei einer Injektion freier Halbleiterkörper dadurch erreichen, daß die Konzen-Ladungsträger, bei der die selektive Fluoreszenz 40 tration an die Leitungsart bestimmenden Dotierungsgerade einsetzt, ein Konzentrationsverlauf freier stoffen nicht gleichmäßig ist, und eine wichtige Aus-Ladungsträger in Richtung der Schichtdicke der führungsform eines Halbleiterdioden-Senders gemäß wirksamen Schicht auf, und es ergibt somit zugleich der Erfindung ist demnach dadurch gekennzeichnet, in dieser Richtung ein Gradient in der Phasenge- daß auf mindestens einer Seite der Übergangsschicht schwindigkeit der sich praktisch senkrecht zur Dicken- 45 in einer Richtung von der Übergangsschicht her eine richtung der wirksamen Schicht bewegenden Strahlung, die erwähnte Abnahme des reellen Teiles der Brechder ein derartiges Vorzeichen hat, daß infolge von zahl wenigstens teilweise herbeiführende Zunahme Brechungserscheinungen zusätzliche Strahlungsver- der Konzentration an die Leitungsart bestimmenden luste auftreten. Dotierungsstoffen vorhanden ist.

Die Strahlungsverluste haben einen ungünstigen 50 Hierbei erweist sich als besonders günstig für die Einfluß auf den Schwellenwert der Anregungsenergie, Einschränkung von Strahlungsverlusten eine Zunahme d. h. auf den Wert der Anregungsenergie, bei der die der Konzentration an die Leitungsart bestimmenden selektive Fluoreszenz der Rekombinationsstrahlung Dotierungsstoffen, bei der für die einhergehende Zugerade ansetzt. nähme der Konzentration an freien Ladungsträgern gilt:

Unter Anregungsenergie wird in der üblichen Weise 55 ^. „ 14.10*0

die Energie verstanden, die dem Halbleiterkörper zu- -_* L > _...' . _t

geführt wird, um die Injektion freier Ladungsträger mj m* ^ a^s
in die wirksame Schicht zu erhalten. Die Anregungsenergie wird dadurch zugeführt, daß ein elektrischer wobei N₁ und Zn₁* die Konzentration an freien Strom in Durchlaßrichtung quer zur wirksamen 60 Ladungsträgern (die Zahl der freien Ladungsträger Schicht durch die Halbleiterdiode geschickt wird. je Kubikzentimeter) bzw. die effektive Masse der

Die Erfindung bezweckt unter anderem, die er- freien Ladungsträger (in Einheiten ausgedrückt, die

wähnten Strahlungsverlpste zu beschränken. gleich der Masse eines freien Elektrons im Vakuum

Gemäß der Erfindung ist ein optischer Halbleiter- _{sind)etwaineinemAbstandgleich} * _{von derM}itte

dioden-Sender oder -Verstärker, dessen selektiv fluores- 65 ■ ■' ^ 2 X_m

zentes Halbleitermedium zwischen einer p-leitenden der Übergangsschicht sind, während N_% und m* diese

und einer η-leitenden Zone eine p-n-Übergangsschicht Größen etwa im Abstand α von der Mitte der

enthält, von denen wenigstens eine Zone eine so hohe Übergangsschicht sind, wobei die Abnahme des -.,

reellen Teiles der Brechzahl auf der betreffenden Seite des Überganges in dem Abstand α vorhanden ist. Die Konzentration TV* an freien Ladungsträgern ist üblicherweise praktisch gleich der effektiven Konzentration an die Leitungsart bestimmenden Störstellen, d. h. praktisch gleich der Konzentration der insgesamt vorhandenen, die Leitungsart bestimmenden Störstellen abzüglich der Konzentration der vorhandenen Störstellen der entgegengesetzten Leitungsart. Ergibt sich z. B. je Störstelle mehr als ein freier Ladungsträger, so tritt ein damit zusammenhängender Unterschied zwischen der Konzentration an die Leitungsart bestimmenden Störstellen und der Konzentration an freien Ladungsträgern auf.

In der Halbleitertheorie wird eine Größe —— durch

m*

die Formel

beiderseits der Übergangsschicht praktisch völlig zur Folge hat.

Obgleich in vielen Fällen eine hinreichende Abnahme der Brechzahl mit Hilfe einer Zunahme der 5 Konzentration an die Leitüngsärt bestimmenden Dotierungsstoffen erzielbar ist, bereitet in bestimmten Fällen eine hinreichende Zunahme der Konzentration an Dotierungsstoffen Schwierigkeiten, z. B. weil aus anderen Gründen gewünschte Dotierungsstoffe eine ¹⁰ unzureichende Löslichkeit im Halbleitermaterial haben oder bei hohen Konzentrationen eine übermäßige störende Änderung der Breite des verbotenen Bandes zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband herbeiführen (diese letztere Erscheinung kann sich jedoch !5 häufig auch günstig auswirken) und dabei eine unerwünschte Verschiebung der optischen Absorptionskante im Halbleitermaterial herbeiführen. Deshalb ist eine weitere wichtige Ausführungsf orm eines optischen Halbleiterdioden-Senders gemäß der Erfindung darn* e^a 2o durch gekennzeichnet, daß, von ien die Leitungsart

bestimmenden Dotierungsstoffen abgesehen, im Halbleiterkörper auf mindestens einer Seite der Übergangsschicht eine die Abnahme <äes reellen Teiles der

N die Konzentration an freien Ladungsträgern ist, Brechzahl wenigstens teilweise herbeiführende Änderung in der Zusammensetzung des Halbleitermaterials selber auftritt.

Vorzugsweise wird hierbei beiderseits, der Übergangsschicht die Abnahme des reellen Teiles der Brechzahl praktisch völlig durch eine Änderung der Zusammensetzung des Halbleitermaterials selber herbeigeführt.

Bei einer vorteilhaften Aüsführungsform besteht der Halbleiterkörper an der Stelle der Übergangs-

wobei sämtliche Größen im Meter-Kilogramm-Se- schicht aus Galliumarsenid, das wenigstens auf einer kunden-System ausgedrückt sind. 35 Seite der Übergangsschicht in Galliumphosphid oder

Die Plasmafrequenz v_p läßt sich auf bekannte Weise wenigstens in einen Mischkristall aus Galliumphosphid

und Galliumarsenid übergeht, oder aber aus Indiumantimonid, das auf wenigstens einer Seite der Über

definiert, wobei

die Konzentration an freien Ladungsträgern ist, die Masse eines freien Elektrons im Vakuum, die Dielektrizitätskonstante im Vakuum, die Plasmafrequenz im Halbleitermaterial mit einer Konzentration N an freien Ladungsträgern und

den Grenzwert der Brechzahl des Halbleitermaterials für hohe Frequenzen darstellt, gangsschicht in Indiumarsenid oder wenigstens in

durch Reflexionsmessungen bestimmen. Wird die Reflexion ν einer auf einen Halbleiterkörper auffallenden Strahlung in Abhängigkeit von der Frequenz

der auffallenden Strahlung gemessen, so tritt bei einer 40 einen Mischkristall aus Indiumarsenid oder wenigstens bestimmten Frequenz v_m der auffallenden Strahlung in einen Mischkristall aus Indiumarsenid und Indiumantimonid übergeht. .

Vorzugsweise enthält
praktisch eigenleitende

eine Mindestreflektion
der Formel

auf, wobei v_p mit v_m gemäß

Vp =

die Übergangsschicht eine Schicht, da eine praktisch eigenleitende Schicht bei der Injektion freier Ladungsträger für das Auftreten von Rekombinationsstrahlung günstigere Eigenschaften aufweist als eine Störstellenschicht, bei der die vorhandenen Dotierungsstoffe sich störend auswirken können. Vorzugsweise ist die

zusammenhängt.

Es empfiehlt sich, die Konzentration an freien Ladungsträgern N₂, etwa im Abstand α von der Mitte

der Übergangsschicht her gerechnet, nicht übermäßig 50 Dicke der eigenleitenden Schicht höchstens gleich 10 l_m· groß zu machen, weil bei einer sehr großen Konzen- Es sei bemerkt, daß die Abnahme des reellen Teiles

tration N₂ die Absorption durch frei Ladungsträger störend werden kann. Deshalb ist vorzugsweise die Konzentration N₂ an freien Ladungsträgern etwa im der Brechzahl auch die Folge gleichzeitig auftretender Änderungen in der Zusammensetzung des Halbleitermaterials selber und in der Konzentration an die

Abstand a, von der Mitte der Übertragungsschicht 55 Leitungsart bestimmenden Dotierungsstoffen sein

her gerechnet, kleiner als
1,2·

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform eines optischen Halbleiterdioden-Senders gemäß der Erfindung weist der Halbleiterkörper auf beiden Seiten der Übergangsschicht in einer Richtung von der Übergangsschicht her eine Zunahme der Konzentration an die Leitungsart bestimmenden Dotierungsstoffen auf, die die Abnahme des reellen Teiles der Brechzahl kann.

Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungsbeispiele und der Zeichnung näher erläutert.

Fig.l bis 7 stellen schematisch im Querschnitt einen Halbleiterkörper in verschiedenen Stufen der Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines optischen Halbleiterdioden-Senders nach der Erfindung dar, wobei der Querschnitt nach F i g. 5 senkrecht auf derjenigen nach F i g. 6 steht;

F i g. 8 zeigt schematisch eine Auf dämpfvorrichtung, die bei der Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines optischen Senders gemäß der Erfindung verwendet wird, während

F i g. 9 in der Draufsicht die Anordnung der in der Aufdampfvorrichtung nach F i g. 8 verwendeten Tiegel zeigt;

Fig. 10 und 11 zeigen schematisch im Querschnitt unterschiedliche Halbleiterkörper weiterer Ausführungsbeispiele von optischen Sendern gemäß der Erfindung.

Zunächst werden ein Beispiel eines optischen Halbleiterdioden-Senders gemäß der Erfindung, bei dem im Hablleiterkörper beiderseits des p-n-Über- ip ganges in einem Abstand α die Abnahme des reellen Teiles der Brechzahl infolge einer Zunahme der Konzentration an die Leitungsart bestimmenden Dotierungsstoffen vorhanden ist, sowie die Herstellung eines solchen optischen Senders beschrieben.

In diesem Ausführungsbeispiel besteht der Halbleiterkörper aus Galliumarsenid. Bei einem Körper aus Galliumarsenid gilt für die Wellenlänge X_m in diesem Körper der bei selektiver Fluoreszenz zu erhaltenden Rekombinationsstrahlung etwa und/oder Schleifen, ausgenommen an einer der großen Oberflächen der Platte, entfernt, wodurch sich die Struktur nach F i g. 3 mit einer η-leitenden Zone 3, einer p-leitenden Zone 2 und dem p-n-Übergang 4 ergibt.

Es stellt sich heraus, daß in der η-leitenden Zone 3 vom p-n-Ubergang 4 her in einem Abstand von etwa 2 μπι die effektive Konzentration an Donatoren von 0 auf die ursprüngliche Konzentration von etwa 2 · 10^le Störstellen je Kubikzentimeter ansteigt, während auf einem Abstand von 0,1 μπι vom p-n-Übergang 4 dieeffektive Konzentration etwa 10¹⁷ Störstellen je Kubikzentimeter beträgt.

In der η-leitenden Zone 3 gilt somit für einen Abstand a — 2 μπι [wodurch die Bedingung (I^ erfüllt ist]:

m*

ap

l_m = 0,2 μπι.

Dies bedeutet, daß für den Höchstwert des Abstandes a

a_max = 30A_m = 6 μπι (1) ^a5

weil mt und ml beide etwa 0,04 sind. Um die Bedingung (3) zu erfüllen, muß somit

4,8-10¹⁸

1,4-1O⁸⁰ ~ β»

oder vorzugsweise

= 15 X_m = 3 μπι

gut, während die Abnahme des reellen Teiles der Brechzahl von einem Punkt an gerechnet werden muß, der in einem Abstand von mindestens ¹JiX_n- 0,1 μπι vom p-n-Übergang liegt.

Weiter muß für die Abnahme des reellen. Teiles der Brechzahl A [Re (ή)]

A [Re (ή)] ■> ¹⁰Y (2)

oder, weil a = 2 μπι,

4,8 · ΙΟ¹⁹ > 3,5 · ΙΟ¹⁹

gelten, woraus sich ergibt, daß die Bedingung (3) erfüllt ist.
Gemäß der Bedingung (4) muß gelten:

oder

2· 10¹⁸ < 3,5

gelten, während weitere Bedingungen sind: N₃ N₁ ^ 1,4-10²⁰

TTIi

und vorzugsweise:

1,2· 10²¹

(3)

(4)

Ausgegangen wird von einer η-leitenden GalHumarsenidplatte 1 (F i g. 1) von 1 · 1 mm² mit einer Dicke von 50 μπι und einer Donatorenkonzentration von 2 ■ 10¹⁸ Donatoren in Form von Telluratomen je Kubikzentimeter,

Die Platte 1 wird etwa 2 Minuten auf 900 °C in einer schützenden Stickstoffatmosphäre erwärmt, die Dampf einer ebenfalls vorhandenen Legierung von Gallium mit 5 Atomprozent Zink enthält. Das Zink diffundiert in die Platte hinein und bildet eine etwa 10 μπι dicke p-leitende Oberflächenschicht 2 (F i g. 2) mit einer Oberflächenkonzentration von etwa 2 · 10¹⁹ Zinkatomen je Kubikzentimeter. Das Gallium diffundiert nicht und dient dazu, die Konzentration der Zinkatome im Dampf der Legierung einzustellen. Die Legierung wird auch während des Diffusionsvorganges auf einer Temperatur von etwa 900⁰C gehalten. . . . .

Die p-leitende Oberflächenschicht wird auf eine in der Halbleitertechnik übliche Art, z. B. durch Ätzen Auch diese Bedingung (4) ist mithin erfüllt, weil mt etwa 0,02 beträgt.

Die Abnahme des reellen Teiles der Brechzahl muß gemäß _vder Bedingung (2) größer als oder gleich.

αν. 4 . ' °

sein. Dies trifft in der Praxis tatsächlich zu, was auch zu erwarten ist, wenn die Bedingung (3) bereits erfüllt ist.

In der η-leitenden Zone 3 ist damit das gewünschte Ergebnis erreicht. Dies ist in der p-leitenden Zone 2

jedoch nicht der Fall. '.''.

In der p-leitenden Zone steigt auf einem Abstand

von 6 μπι [dem höchstzulässigen Abstand α gemäß der Bedingung (I)] die effektive Konzentration an Akzeptoren (Zinkatomen) von 0 auf etwa 1,5 · 10^1β Störstellen je Zentimeter an, während in einem Abstand von 0,1 μπι vom p-n-Übergang die effektive Konzentration etwa.10¹⁷ Störstellen je Kubikzentimeter

60 beträgt.

Gemäß der Bedingung (3) müßte gelten:

1,5-10" O¹⁷

10²°

.65 und weil m| und ml in der leitenden Zone 2 etwa 0,5mal der Masse eines freien Elektrons im Vakuuaa betragen und a — 6 μπα würde dies bedeuten,

9 10

1,4 · ΙΟ¹⁸ größer als 2 · ΙΟ¹⁸ ist, was nicht richtig ist, einlegiert wird. Dies erfordert eine sehr genaue Leworaus sich ergibt, daß die Bedingung (3) nicht gierungstechnik.

erfüllt ist. Obgleich die gewünschten Änderungen der Stör-

Um diese Bedingungzu erf üllen,wird auf die p-leitende Stellenkonzentrationen mit Diffusions- und Legierungs-Zone 2 eine aus Zinn mit etwa 10 Atomprozent Zink 5 verfahren erzielbar sind, sind diese Änderungen besser bestehende p-leitende Legierung auflegiert. Zu diesem reproduzierbar durch epitaktisches Aufwachsen aus Zweck wird über die Mitte der p-leitenden Zone 2 der Dampfphase erhältlich; im nachstehenden Ausein aus dieser Legierung bestehender Draht 6 (s. F i g. führungsbeispiel, in dem auf beiden Seiten des p-n-Über-4 und 5) gelegt. Der Draht hat z. B. einen Durchmesser ganges die Bedingung (V) erfüllt ist, wird dieses Vervon etwa 30 μπι. (Der Draht kann auch z. B. durch io fahren beschrieben.

ein Band mit einem Querschnitt von etwa 100 · 10 μηι Im vorliegenden Beispiel besteht der Halbleiterersetzt werden.) körper wieder aus Galliumarsenid

Das Ganze wird während 1 bis 2 Minuten in einer Es wird von einer etwa 50 μπι dicken p-leitenden

Schutzatmosphäre, z. B. einer Stickstoffatmosphäre, Platte aus Galliumarsenid von 5 · 5 mm mit einer auf etwa 500⁰C erwärmt. Die Legierungsfront dringt 15 Konzentration von etwa 3 · 10¹⁸ Telluratomen je über einen Abstand von etwa 5 μπι in die etwa 10 μπι Kubikzentimeter ausgegangen.

dicke p-leitende Zone 2 ein. Eine weitere p-leitende Die Platte 20 (F i g. 8) wird in einer schematisch

Legierungszone 7 (s. F i g. 6 und 7) mit einer Dicke durch die gestrichelte Linie 28 dargestellten Vakuumvon etwa 5 μΐη wird so der p-leitenden Zone 2 ge- glocke auf einem z. B. aus Tantal bestehenden Halter22 bildet. Das wiedererstarrte Elektrodenmaterial ist 20 so angeordnet, daß eine große Fläche 29, die vorzugsmit 9 bezeichnet. weise eine (T, T, T )-Kristallebene ist, den mit aufzu-

Das Ganze kann gleichzeitig mit Hilfe einer Zinn- dampfendem Material 21 gefüllten Tiegeln 25 zugeschicht 12 auf einer Trägerplatte 13 aus z. B. ver- kehrt ist.
goldetem Tantal befestigt werden. Die Platte 20 kann mit Hilfe der Heizwendel 23

Durch die Anbringung der Legierungszone 7 ist as und des Reflektors 24 erhitzt werden, die Konzentration an Akzeptoren in einem Abstand Die z. B. aus Quarz bestehenden Tiegel 25 befinden

von etwa 5 μπι vom p-n-Übergang 4 auf gut 2 · 10¹⁹ sich in einem Abstand von etwa 5 cm von der Platte 20 Störstellen je Kubikzentimeter gebracht, so daß die und haben einen Durchmesser von etwa 0,5 cm, Bedingung (3) erfüllt ist. Es gibt vier Tiegel 25, die in der in Fi g. 9 in der

Gemäß der Bedingung (4) muß gelten: 30 Draufsicht dargestellten Weise angeordnet sind. Sie

befinden sich in Haltern 26, die z. B. aus Tantal be-1,2·10⁸¹/η| stehen und jeweils mittels einer nicht dargestellten,

N₂ «a 2 · 10¹⁸ < —i-—-g- fss 1,8 · 1O*². eingebauten Heizwendel erwärmt werden können.

^Äm Die Tiegel 25 mit den Haltern 26 sind durch Wärme-

35 schirme 27, die z. B. aus einer zwischen zwei Tantal-

Da diese Ungleichung richtig ist, ist die Bedingung (4) blechen angebrachten wärmeisolierenden Schicht aus tatsächlich erfüllt. z. B. Al₂O₈ bestehen, voneinander getrennt.

Der Abstand α beträgt etwa 5 μπι, so daß die Be- Im Betrieb wird die Vakuumglocke 28 auf Hoch-

dingung (1) erfüllt ist. vakuum, ζ. B. 10~^β Torr ausgepumpt und die Platte 20

Die Änderung des reellen Teiles der Brechzahl ist 40 auf eine Temperatur von etwa 100°C gebracht. Die jetzt etwa 0,16%» wodurch die Bedingung (2) reichlich vier Tiegel 25 enthalten Gallium, Arsen, Tellur bzw. erfüllt ist, was, nachdem die Bedingung (3) erfüllt Zink.

worden war, auch zu erwarten ist. Für eine gute Zunächst wird das Gallium auf etwa 1000 ⁰C, das

Wirkung des optischen Senders müssen die Seiten- Arsen auf etwa 600°C und das Tellur auf etwa 450⁰C flächen 15 (F i g. 6), die praktisch senkrecht auf der 45 erwärmt. Nach etwa, einer Stunde ist auf der Platte 20 Ebene des p-n-Überganges4 und der Längsrichtung eine Schicht30 (Fig. 10) aus η-leitendem Galliumder Legierungszone 7 stehen, gut eben und parallel arsenid mit etwa 3 · 10¹⁸ Telluratpmen je Kubikzentigeschliffen werden. Diese Seitenflächen 15 dienen als meter und einer Dicke von etwa 5 μια aufgewachsen. reflektierendeGlieder(Spiegeloberflächen)des optischen Dann wird die Temperatur des Tellurs auf eine

Halbleiterdioden-Senders, die teilweise durchlässig so Temperatur von oder unter etwa 150° C in dem Zeitsind. Sie können erforderlichenfalls mit einer zusatz- raum herabgesetzt, in dem eine weitere Schicht 31 mit liehen spiegelnden Schicht, z. B. aus Gold, überzogen einer Dicke von etwa 2 μπι aufwächst, in der die sein, die auf einer der Seitenflächen 15 undurchlässig Konzentration an Telluratomen durch Abkühlung sein kann. Der Abstand zwischen den Seitenflächen 15 des Tellurs zu einer Endkonzentration von höchstens beträgt z. B. etwa 0,5 mm. 55 10¹⁷ Telluratomen je Kubikzentimeter absinkt

Es stellt sich heraus, daß beim geschilderten optischen Während des Auf wachsens der Schicht 31 wird das

Halbleiterdioden-Sender die Strahlungsverluste im Zink auf etwa 35O⁰C und dann während des Wachs-Betrieb besonders gering sind und das erzeugte turns der weiteren Schacht 32 mit einer. Dicke von etwa Strahlenbündel, das im wesentlichen praktisch parallel 2 μπι auf etwa 600°C erwärmt, wodurch die Konzenzum p-n-Ubergang 4 verläuft und in der Umgebung 60 tration an Zinkatomen in der p-leitenden Schicht 32 dieses p-n-Überganges im wesentlichen unter der Le- auf etwa 1 · 10^1β Zinkatome je Kubikzentimeter angierungszone 7 auftritt, in einer Richtung, senkrecht steigt

zum p-n-Übergang gemessen, etwa 7 bis 8 μΐη breit ist. Das Aufwachsverfahren wird danach etwa 1 Stunde

Beim geschilderten Ausführungsbeispiel ist auf der fortgesetzt, wobei das Zink auf eine Temperatur p-leitenden Seite des p-n-Überganges die Bedingung (1) 65 von etwa 650° C gebracht und eine weitere p-leitende erfüllt, die Vorzugsbedingung (V) jedoch nicht. Diese Schicht 33 mit einer Dicke von etwa 5 μπι und einer letzte Bedingung läßt sich dadurch erfüllen, daß der Konzentration an Zinkatomen von etwa 4 · 10¹⁹ Zink-Draht 6 etwas tiefer in die p-leitende Zone 2 (F i g. 4) atomen je Kubikzentimeter gebildet wird.

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Der p-n-Übergang befindet sich etwa am Übergang Zunächst läßt man, ebenso wie beim vorstehenden

von der Schicht31 zur Schicht32. Beispiel, auf der Platte40 (Fig. 11) in etwa einer

Auf der η-leitenden Seite des p-n-Überganges befindet Stunde eine η-leitende Schicht 41 mit einer Dicke von

sich somit die Schicht 31, in der die effektive Konzen- etwa 5 μιη aufwachsen. (Die Temperaturen sind die

tration an Donatoren (Telluratomen) zwischen 0,1 und 5 gleichen wie beim Aufwachsen der Schicht 30 nach

2 μηι vom p-n-Übergang von etwa 10¹⁷ auf etwa Fig. 10; der Phosphor wird jedoch nicht erwärmt.)

3 · 10¹⁸ Störstellen je Kubikzentimeter zunimmt. Dies Dann wird der Phosphor schnell auf 300°C erwärmt entspricht für die η-leitende Seite des p-n-Überganges (die übrigen Temperaturen bleiben dieselben), und es praktisch dem vorstehenden Beispiel, in dem die Be- wächst eine etwa 2 μιη dicke, Phosphor enthaltende dingungen (V) bis (4) erfüllt sind. io η-leitende Schicht 42 auf, wonach die Erwärmung des

Auf der p-leitenden Seite des p-n-Überganges Phosphors eingestellt wird, wonach eine etwa 1 μΐη nimmt die effektive Konzentration der Akzeptoren dicke, praktisch keinen Phosphor enthaltende n-lai-(Zinkatome) von 0,1 μηι vom p-n-Übergang her tende Schicht 43 aufwächst.

über die Schicht 32 von etwa 10¹⁷ auf etwa 3 · 10¹⁹ Die Erwärmung des das Tellur enthaltenden Tiegels

Zinkatome je Kubikzentimeter zu. 15 wird jetzt ausgeschaltet, während der das Zink ent-

Gemäß der Bedingung (3) muß etwa gelten: haltende Tiegel rasch auf 65O⁰G gebracht wird. Der

das Tellur enthaltende Tiegel kann dabei mit Hilfe

l,4-10^a0m* eines in Fig. 8 nicht dargestellten verschiebbaren

3 · 10¹⁹ ^ --■ , Schirmes, z.B. aus Tantal, abgeschirmt werden,

^a ao während der das Zink enthaltende Tiegel voher &v£

65O⁰C gebracht worden sein kann, wobei der Tiegel

wobei auf der p-leitenden Seite für m* etwa die Zahl0,5 mit einem verschiebbaren Schirm abgedeckt war, der eingesetzt werden kann, während der Abstand α etwa plötzlich weggeschoben wird. Die Leitungsart des

2 μιη beträgt, .so daß aufwachsenden Materials ändert sich jetzt plötzlich

3 · 10¹⁹ ""> 1 7 · 10¹⁹ ' ^a5 vom η-Typ zum p-Typ, und man läßt eine 1 μηι dicke

⁵^ ' p-leitende Schicht 44 aufwachsen.

gelten muß. Da diese Ungleichung richtig ist, ist die Dann wird der Phosphor wieder auf 300° C gebracht,

Bedingung (3) erfüllt. bis eine etwa 2 μιη dicke, Phosphor enthaltende

Weil die maximale Konzentration der Akzeptoren p-leitende Schicht 45 aufgewachsen ist, wonach maa, (3· 10¹⁹ Störstellen je Kubikzentimeter) etwa die gleiche 3° nach Abkühlung des Phosphors, eine 5 μιη dicke, ist wie im vorstehenden Beispiel, ist auch die Bedin? keinen Phosphor enthaltende p-leitende Schicht 46 gung (4) erfüllt. aufwachsen läßt. Das so entstandene Gebilde wird

In diesem Falle ist auf beiden Seiten des p-n-Über- dann aus der Vakuumglocke-8 (F i g. 8) herausgeganges die Bedingung (Γ) erfüllt. nommen.

Die fertige, mit epitaktischen Schichten 30 bis 33 35 Die η-leitende Schicht 42 und die p-leitende Schicht versehene Platte 20 kann in einer Richtung senkrecht 45 enthalten jetzt 2 Molprozent Gaülumphosphid, zum p-n-Übergang in kleinere Platten mit einer Größe, während die η-leitende Schicht 43 und die p-leitende die etwa derjenigen der Platte des vorstehenden Bei- Schicht 44 praktisch kein Galliumphosphid enthalten» Spieles entspricht, unterteilt werden. wodurch der Unterschied im reellen Teil der Brechzahl

Die Platten müssen ebenso wie beim vorstehenden 4° zwischen den Schichten 43 und 42.und zwischen den Beispiel mit zwei einander gegenüberliegenden, sich Schichten 44 und 45 etwa 1 % beträgt, senkrecht zum p-n-Übergang erstreckenden spiegelnden Da die Schichten 43 und 44 etwa 1 μιη dick sind, ist

Flächen versehen werden. auf beiden Seiten des p-n-Überganges der Abstand«

Die Platten können ebenso wie beim vorstehenden etwa 1 μιη, so daß die Bedingung (Γ) erfüllt ist. Die Beispiel mit HiUe einer Zinnschicht an einem Träger 45 dabei erforderliche Abnahme des reellen Teiles der aus vergoldetem Tantal, der auch als Anschlußkontakt Brechzahl beträgt ■ .

dienen kann, befestigt werden.

Auf die Schicht 33 kann ein aus einer Zinn-Zink- \<Qt_m 10*0,04 ₀

Legierung (mit z. B. 10 Atomprozent Zink) bestehender ~T~ ⁼ . ^0,4/,,,

Anschlußkontakt bei einer Temperatur von etwa 5°
500⁰C während einer Minute auflegiert werden.

Es stellt sich heraus, daß die Strahlungsverluste und diese Bedingung ist reichlich erfüllt, noch etwas kleiner als beim vorstehenden Beispiel sind Die erhaltene Platte kann weiter ebenso wie beim

und daß die Breite des im Betrieb auftretenden vorstehenden Beispiel in kleinere Platten untertefli Strahlungsbündels in einer Richtung senkrecht zum 55 werden, die mit spiegelnden Oberflächen und A*· p-n-Übergang etwa 4 μιη beträgt. schlußkontakten, wie sie im vorstehenden Beispiel

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel eines beschrieben worden sind, versehen werden können. ■·. optischen Halbleiterdioden-Senders nach der Erfindung Bei den nach dem beschriebenen Verfahren herge^·

beschrieben, bei dem die Abnahme des reellen Teiles stellten optischen Halbleiterdioden-Sendern erweisen der Brechzahl die Folge einer Änderung der Zusammen- 60 sich die Strahlungsverluste als besonders gering uuad setzung des Halbleitermaterials selbst ist. hat das im Betrieb in der Umgebung des p-n-Übefr

Es wird von einer gleichen Galliumarsenidplatte ganges auftretende Strahlungsbündel in einer zuöa ausgegangen wie im vorstehenden Beispiel. Für das p-n-Übergang praktisch senkrechten Richtung eine epitaktische Aufwachsen aus der Dampfphase wird Breite von etwa 2 μπα. . .-■

die gleiche Anordnung verwendet, die in bezug auf 65 Es dürfte einleuchten, daß die Erfindung nicht auf F i g. 8 beschrieben wurde, mit dem Unterschied, die geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt ist daß ein weiterer, Phosphor enthaltender Tiegel 25 vor- und daß im Rahmen der Erfindung für den Fachmann gesehen ist. viele Änderungen möglich sind. Es können z. B..andere ■■

Halbleitermaterialien als die erwähnten Verwendung finden. Der Halbleiterkörper kann an der Stelle des p-n-Überganges z. B. aus Indiumantimonid bestehen, wobei vom p-n-Übergang her gerechnet das Indiumantimonid in einen Mischkristall aus Indiumantimonid und Indiumarsenid übergeht, wodurch sich eine Abnahme des reellen Teiles der Brechzahl ergibt. Auch können andere übliche Dotierungsstoffe Verwendung finden. Weiter kann die Übergangsschicht eine praktisch eigenleitende Schicht enthalten. Dies hat den Vorteil, daß bei der Injektion freier Ladungsträger und beim Auftreten von Rekombinationsstrahlung praktisch Dotierungsstoffe keine störende Wirkung haben können. Die Abnahme des reellen Teiles der Brechzahl kann auch durch gleichzeitig vorhandene Änderungen sowohl in der Zusammensetzung des Halbleitermaterials selbst als auch in der Konzentration an die Leitungsart bestimmenden Dotierungsstoffen verursacht sein.

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Halbleiterdioden-Sender oder-Verstärker, dessen selektiv fluoreszentes Halbleitermedium zwischen einer p-leitenden und einer η-leitenden Zone eine p-n-Übergangsschicht enthält, von denen wenigstens eine Zone eine so hohe Konzentration an die Leitungsart bestimmenden Störstellen aufweist, daß an der Übergangsschicht durch Injektion freier Ladungsträger angeregte Emission von Rekombinationsstrahlung und somit ein Strahlenbündel, das im wesentlichen praktisch parallel zur Übergangsschicht verläuft, erzeugt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper auf beiden Seiten der Übergangsschicht, in einer zur Übergangsschicht praktisch senkrechten Richtung, von der Übergangsschicht her gerechnet und zwischen zwei Punkten gemessen, von denen einer in einem Ab-

stand von mindestens -^Xm und der andere in einem größeren Abstand von höchstens 30A_m von der Mitte der Übergangsschicht liegt, eine Abnahme des reellen Teiles der Brechzahl von min-

10 A²
destens —^- auftritt, wobei α der Abstand auf der betreffenden Seite der Übergangsschicht ist, von der Mitte der Übergangsschicht her gerechnet, in dem die erwähnte Abnahme des reellen Teiles der Brechzahl vorhanden ist, während Xj_n die Wellenlänge der Rekombinationsstrahlung im Halbleitermaterial ist.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand α höchstens gleich 15 X_m ist.

3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer Seite der Übergangsschicht in einer Richtung von der Übergangsschicht her eine die Abnahme des reellen Teiles der Brechzahl wenigstens teilweise herbeiführende Zunahme der Konzentration an die Leitungsart bestimmenden Dotierungsstoffen vorhanden ist.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach An-Spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunahme der Konzentration an die Leitungsart bestimmenden Dotierungsstoffen einen Wert hat, bei dem für die einhergehende Zunahme der Konzentration an freien Ladungsträgern gilt

N₁ , _ JV^ 1,4» 10^a
mi mi α²

wobei N₁ und m_x* die Konzentration an freien Ladungsträgern (Anzahl der freien Ladungsträger je Kubikzentimeter) bzw. die effektive Masse der freien Ladungsträger (in Einheiten ausgedrückt, die gleich der Masse eines freien Elektrons in

Vakuum sind) in einem Abstand γ X_m von der Mitte der Übergangsscbicht sind, während N₂ und m% diese Größen etwa im Abstand α von der Mitte der Übergangsschicht daxstellen, wobei die Abnahme dse reellen Teiles der Brechzahl auf der betreffenden Seite der Übergangsschicht über den Abstand α auftritt.

5. Optischer Sender oder Verstärker nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die^ Konzentration N₂ an freien Ladungsträgern etwa im Abstand α von der Mitte der Übergangsscbicht kleiner als

Kn

6. Optischer Sender oder Verstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten der Übergangsscbicht in einer Richtung von der Übergangsschicht her eine Zunahme der Konzentration an die Leitungsart bestimmenden Dotierungsstoffen vorhanden ist, die die Abnahme des reellen Teiles der Brechzahl auf beiden Seiten der Übergangsschicht praktisch völlig zur Folge hat

7. Optischer Sender oder Verstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß, abgesehen von die Leitungsart bestimmenden Dotierungsstoffen, im Halbleiterkörper auf mindestens einer Seite der Übergangsschicht eine die Abnahme des reellen Teiles der Brechzahl wenigstens teilweise herbeiführende Änderung der Zusammensetzung des Halbleitermaterials selber vorhanden ist.

8. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1 oder 2 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten der Übergangsschicht eine Änderung des Hälbleitermaterials selber vorhanden ist, die die Abnahme des reellen Teiles der Brechzahl auf beiden Seiten der Übergangsscbicht praktisch völlig herbeiführt.

9. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper an der Stelle der Übergangsschicht aus Galliumarsenid besteht, das auf mindestens einer Seite der Übergangsschicht in Galliuntphosphid oder wenigstens in einen Mischkristall aus Galliumphosphid und Galliumarsenid übergeht.

10. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper an der Stelle der Ubergangsschicht aus Indiumantimonid besteht, das auf mindestens einer Seite der Übergangsschicht in Indiumarsenid oder wenigstens in einen Mischkristall aus Indiumarsenid und Indiumantimonid übergeht.

11. Optischer Sender oder Verstärker nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsschicht eine praktisch eigenleitende Schicht enthält.

12. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die prak-

tisch eigenleitende Schicht eine Dicke von höchsteas 10 λ«, hat. _____

In Betracht gezogene Druckschriften:
Bulletin des Schweiz. Elektrotechnischen Vereins, Bd. 54, Nr. 4, S. 130/131;
Journal of Applied Physics, Bd. 34, Nr. I, S. 235/234.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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