DE1183174B - Optischer Halbleiterdioden-Sender oder -Verstaerker - Google Patents
Optischer Halbleiterdioden-Sender oder -VerstaerkerInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: H Ol r;
Nummer:
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Auslegetag:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
H 05 b
Deutsche KX: 2If-90
N 24641 VIII c/21 f
18. März 1964
10. Dezember 1964
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
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
409 757/148
3 4
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 Am 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 An,
und dies bedeutet, daß die Diffusionsrekombinations- ä*
länge Idr der freien Ladungsträger in der wirksamen
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 Xm die Wellenlänge der Rekombination*· "
durch 35 strahlung im Hablleitermaterial ist. Der Abstand a
ldr = Vj) % ist vorzugsweise höchstens gleich 15 Am.
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* ^ as
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
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 derMitte
dioden-Sender oder -Verstärker, dessen selektiv fluores- 65 ■ ■' ^ 2 Xm
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* ea 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 vp 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 vm der auffallenden Strahlung in einen Mischkristall aus Indiumarsenid und Indiumantimonid
übergeht. .
Vorzugsweise enthält
praktisch eigenleitende
praktisch eigenleitende
eine Mindestreflektion
der Formel
der Formel
auf, wobei vp mit vm 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 lm·
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·
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 Xm 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 · 10le
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
lm = 0,2 μπι.
Dies bedeutet, daß für den Höchstwert des Abstandes a
amax = 30Am = 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 Xm = 3 μπι
gut, während die Abnahme des reellen Teiles der Brechzahl von einem Punkt an gerechnet werden muß,
der in einem Abstand von mindestens 1JiXn- 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:
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 · 101β
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
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 · 101β 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.
11 12
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,4-10a0m* 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- \<Qtm 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.
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 (12)
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 30Am 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 Xjn die Wellenlänge der Rekombinationsstrahlung im Halbleitermaterial ist.
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 Xjn die Wellenlänge der Rekombinationsstrahlung im Halbleitermaterial ist.
2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand
α höchstens gleich 15 Xm 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» 10a
mi mi α2
mi mi α2
wobei N1 und mx* 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 Xm 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.
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
405 757/1« 12.64 0 Bundesdruclcerei Bedia
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ID=19754551
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