DE1191040B - Optischer Sender oder Verstaerker mit Halbleiterdiode, die einen in Flussrichtung belasteten PN-UEbergang zur Injektion von Ladungstraegern aufweist - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAM

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIs

Deutsche KL: 2If-90

Nummer: 1191040

Aktenzeichen: J 24598 VIII c/21 f

Anmeldetag: 19. Oktober 1963

Auslegetag: 15. April 1965

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender oder Verstärker mit Halbleiterdiode zur Umwandlung elektrischer Energie in kohärente Lichtenergie, der mittels Gleichstrom durch einen in Flußrichtung belasteten PN-Übergang zur Injektion von Ladungsträgem, deren Dichte oberhalb eines durch die Halbleitereigenschaften bestimmten Schwellenwertes liegt, zur selektiven Fluoreszenz angeregt wird.

Die bekannten optischen Sender oder Verstärker beruhen in ihrer Wirkung auf der Errichtung einer künstlich herbeigeführten Überbesetzung höherer Energiestufen durch Elektronen gegenüber einer durch das Temperaturgleichgewicht gegebenen natürlichen Verteilung, und zwar unter dem Einfluß einer Anregungs-Energiequelle. Dadurch entsteht ein größerer Anteil an Atomen mit angeregten höheren Energiezuständen gegenüber dem Anteil an Atomen im Grundzustand oder auf niedrigeren Energiestufen; dieser Zustand ist als Besetzungsinversion bekannt. Die bei künstlich herbeigeführter Verteilung in einen höheren Energiezustand angehobenen Elektronen geben dann bei ihrer Rückkehr in das niedrigere Energieniveau ihre Energie frei. Die dabei freigegebene Energie tritt in Form einer elektromagnetischen Strahlung in Erscheinung, die in den meisten bisher in der Technik bekannten Vorrichtungen entweder im sichtbaren oder infraroten Bereich liegen.

In den zur Zeit in der Technik vorliegenden optischen Sendern oder Verstärkern wird entweder ein Gas, ζ. B. eine Mischung aus Helium und Neon, oder ein Kristall, z. B. Aluminiumoxyd oder Kalziumfluorid, als Grundgitter verwendet, in welches geeignete Aktivatoratome oder -ionen eingegeben werden, z. B. Chrom oder dreiwertiges Uran, auf die die Anregungsenergie einwirkt und so die Besetzungsinversion der Elektronen der Aktivatorionen zwischen einem angeregten und einem Normalzustand gestatten. Bei Rückkehr in den Normalzustand wird ein Lichtquant oder Photon in einem sogenannten Strahlungsübergang abgegeben. Ist die Dichte dieser Photonen groß, dann nimmt die Wahrscheinlichkeit von Strahlungsübergängen zu, so daß bei einer Besetzungsinversion die dabei entstehenden Wellentypen der abgegebenen Strahlung, in die die Photonen eintreten, ihrerseits wieder eine weitere Strahlungsemission herbeiführen können. Dies ist im wesentlichen das Prinzip der selektiven Fluoreszenz, bei der das Emissionsspektrum in seiner Breite verringert wird. Bei bekannten optischen Sendern oder Verstärkern wird zu diesem Zweck zunächst elektrische Energie in optische, die für die Anregung notwendige Optischer Sender oder Verstärker mit Halbleiterdiode, die einen in Flußrichtung belasteten PN-Übergang zur Injektion von Ladungsträgern aufweist

Zusatz zur Anmeldung: J 24565 VIII c/21 f— Auslegeschrift 1183 599

Anmelder:

International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt, Böblingen (Württ.), Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

William Paul Dumke, Chappaqua, N. Y.

(V. St. A.);

Rudolph Roland Haering, Kitchener, Ontario (Kanada)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 30. Oktober 1962 (234 070)

Lichtenergie — auf dem Wege einer elektrischen Gasentladung — umgesetzt, die ihrerseits dann benutzt wird, um die Besetzungsinversion in dem Wirtskristall herbeizuführen.

Wie bereits in der Hauptpatentanmeldung J 24 565 VIIIc/21 f (deutsche Auslegeschrift 1183 599) ausgeführt, ist festgestellt worden, daß eine selektive Fluoreszenz in einem geeigneten einkristallinen Halbleiter dadurch hervorgerufen werden kann, daß, ausgelöst durch einen Gleichstrom in Flußrichtung, Ladungsträger ausreichender Geschwindigkeit hierin injiziert werden und dort rekombinieren. Bei Erreichen dieser Injektions-Ladungsträger-Geschwindigkeit erfolgt dann eine scharfe Breitenverminderung der Lichtemissionslinie. Es wird also eine selektive Fluoreszenz in einem Festkörper, der einen Bandabstand zwischen Valenz- und Leitungsband hat und einen Strahlungsübergang bei Freigabe von

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Energie infolge Ladungsträgerrekombination ermöglicht, dadurch erzielt, daß Ladungsträger in den Festkörper in einer Dichte, die ausreicht, um die Verluste in der Festkörperumgebung auszugleichen, injiziert werden. Weiterhin ist in der Hauptpatentanmeldung J 24 565 VIII c/21 f (deutsche Auslegeschrift 1183 599) gezeigt, daß eine selektive Fluoreszenz in einem Halbleiterkörper dadurch zustande kommt, daß hierin ein PN-Übergang vorgesehen wird, der in Flußrichtung bis zu einer gegebenen Injektionsträger-Stromdichte belastet wird, die hoch genug ist, um verschiedene nichtstrahlende Elektronenrekombinationen auszuschalten und andere Strahlungsverlustmöglichkeiten im Wirtskristall zu kompensieren. Sind diese Bedingungen erfüllt, dann tritt eine sprunghafte Verringerung der Emissionslinienbreite ein, so daß das austretende Licht nur auf einen Wellentyp beschränkt ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, durch entsprechende Gestaltung der Halbleitervorrichtung zu erreichen, daß eine scharfe Verminderung der Emissionslinienbreite bei Injektionsträger-Dichtewerten erzielt wird, die oberhalb einer relativ niedrigen Dichteschwelle liegen.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem optischen Sender oder Verstärker nach der Hauptpatentanmeldung J 24 565 VIIIc/21 f (deutsche Auslegeschrift 1183 599) dadurch erreicht, daß von den beiden einander gegenüberstehenden, parallel zum PN-Übergang angeordneten Begrenzungsflächen der Halbleiterdiode die eine mit einer spiegelnden Schicht und die andere mit einer etwas durchlässig spiegelnden Schicht versehen wird, wobei der Abstand der beiden Schichten voneinander so gewählt ist, daß ein optischer Resonator für die Wellenlänge der selektiven Fluoreszenz entsteht.

Ein wichtiger Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein Halbleiterdiodensender entsteht, dessen Schwelle für selektive Fluoreszenz wesentlich niedriger ist als die Schwelle des in der Hauptpatentanmeldung beschriebenen.

Das hat zur Folge, daß eine solche Anordnung eine geringere Stromdichte benötigt, um eine bestimmte Lichtstärke zu erzeugen, so daß eine geringere unerwünschte Erwärmung im Senderkristall entsteht.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich an Hand eines Ausführungsbeispiels aus der Beschreibung sowie den nachstehend aufgeführten Zeichnungen: Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Injektionssender,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Funktion Lichtstärke bei der Linie maximaler Emission in Abhängigkeit von der Injektionsträger-Stromdichte,

Fig.3 eine graphische Darstellung der Funktion Linienbreite in Abhängigkeit vom Strom, der durch den Injektionssender fließt.

In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Halbleiter mit PN-Übergang mit Einrichtung zur Ladungsträgerinjektion dargestellt. Die Vorrichtung nach F i g. 1 besteht im einzelnen aus einem Halbleiterkristall 10 mit einem PN-Übergang 12, der einen P-Bereich 14 mit einer optisch ebenen Oberfläche 14 a und einen N-Bereich 16 mit einer entsprechend optisch ebenen Oberfläche 16 a voneinander trennt. Eine erste dünne reflektierende Schicht 18 ist auf die Oberfläche 14 a des P-Bereichs aufgebracht, und eine zweite dünne reflektierende Schicht 20 ist auf die gegenüberstehende Oberfläche 16 α des N-Bereichs aufgebracht. Die Vorrichtung ist so aufgebaut, daß sich der PN-Übergang im wesentlichen parallel sowohl zur Oberfläche 14 a des P-Bereichs als auch zur Oberfläche 16a des N-Bereichs erstreckt und damit zu den beiden dünnen reflektierenden Schichten 18 und 20. Die erste reflektierende Schicht 18 ist so

ίο beschaffen, daß sie den größten Teil der dort auftreffenden Lichtstrahlen vom P-Bereich 14 reflektiert, und die zweite reflektierende Schicht 20 ist so beschaffen, daß bis 10% der auftreffenden Lichtstrahlen aus dem N-Bereich 16 austreten können und daß möglichst alle restlichen einfallenden Lichtstrahlen aus dem N-Bereich reflektiert werden. Um dies zu erreichen, kann die erste dünne reflektierende Schicht 18 durch einen vollständig versilberten Oberflächenbereich an der Oberfläche 14 a des P-Bereichs

so 14 dargestellt werden, während die zweite reflektierende Schicht 20 eine teilweise durchlässige Silberschicht ist.

Eine rahmenförmige erste ohmsche Kontaktelektrode 22 mit der öffnung 24 ist elektrisch auf der teilweise durchlässigen Silberschicht 20 angebracht und elektrisch mit ihr verbunden, wobei die Öffnung 24 dazu dient, das Licht aus dem N-Bereich 16 austreten zu lassen. Eine zweite ohmsche Kontaktelektrode 26 ist elektrisch mit der ersten reflektierenden Schicht 18 verbunden. Die ohmschen Kontakte 22 und 26 sind in geeigneter Weise mit einer als Batterie 28 dargestellten Spannungsquelle über einen veränderbaren Widerstand 30 und einen Schalter 32 verbunden.

Im Betriebszustand der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung werden beim Schließen des Schalters 32 Photonen durch injizierte Ladungsträger erzeugt. Die erzeugten Photonen wandern von ihren Ursprungsorten nach verschiedenen Richtungen, so daß das durch selektive Fluoreszenz bei Überschreiten einer bestimmten Stromdichteschwelle erzeugte Licht von verschiedenen Oberflächenbereichen des Halbleiterkristalls abgestrahlt werden könnte. Erfindungsgemäß sind nun, um einerseits den Schwellenwert der Stromdichte für die angeregte Strahlungsemission herabzusetzen und andererseits bevorzugte Wellentypen anzuregen, so daß möglichst stark gerichtete Lichtstrahlen und kohärentes Licht entstehen, die erste und die zweite reflektierende Schicht 18 und 20 so angeordnet, daß ein optischer Resonator mit hoher Güte Q für entsprechende Welle der Photonen entsteht, die sich etwa senkrecht zu diesen Schichten ausbreiten. Diese Photonen haben infolge der mehrfach erfolgenden Reflexion in einem relativ großen Zeitintervall Gelegenheit, Strahlungsemission ähnlicher Photonen anzuregen, so daß stehende Wellen, wie durch die gestrichelten Linien 34 angedeutet, erzeugt werden, bevor diese Photonen durch die teilweise verspiegelte Schicht 20 in Form der Ausgangsstrahlen 36 austreten. Die senkrecht zu den reflektierenden Schichten 18 und 20 entstehenden Wellentypen verursachen eine starke Photonenbesetzung in entsprechender Verteilung.

Die zwischen den beiden reflektierenden Schichten 18 und 20 auftretenden stehenden Wellen 34 haben naturgemäß eine ganzzahlige Anzahl von Wellenlängen gleich η λ, die gleich der optischen Weglänge 2 n₀1 sind, wobei n₀ der Brechungsindex

des Kristalls und Z der Abstand zwischen den reflektierenden Schichten 18 und 20 sind. Der Unterschied Δ λ zwischen zwei Wellentypen mit jeweils der Anzahl η und n+1 von Wellenlängen kann wie folgt berechnet werden:

I)Q.-Δλ) = 2n₀l

η =

In₀I

Δλ = ■—.
η

Daraus ergibt sich:
Δλ =

2n₀r

Ein praktisch erprobter Injektionssender, der gemäß der Erfindung betrieben worden ist, bestand aus einem Galliumarsenid-Festkörper, dessen Stärke 175 μπι betrug. Der Brechungsindex n₀ war gleich 3,33, und die Wellenlänge des Ausgangslichtes war gleich 0,84 μηι. Der errechnete Wellentypunterschied Δ λ ist daher gleich 6,0 A; der beobachtete Wert für Δ λ hat ebenfalls genau 6,0 A betragen.

Es hat sich demnach gezeigt, daß die reflektierenden Schichten 18 und 20 tatsächlich einen optischen Resonator für die stehenden Wellen 34 bilden. Daher regt der durch den Resonator bevorzugte Wellentyp eine selektive Fluoreszenz bei relativ niedrigen Stromdichteschwellen an; denn der größte Teil der Energie der injizierten Ladungsträger ist so gerichtet, daß diese Wirkung eintreten kann.

Die Stromdichteschwellen für Injektionssender mit und ohne Resonator sind in F i g. 2 angegeben. Die Kurve 38 in F i g. 2 stellt die Lichtintensität des abgestrahlten Lichtes bei der Maximumlinie in Abhängigkeit von der Stromdichte der injizierten Ladungsträger in Injektionssendern ohne Resonator dar. Es ergibt sich, daß diese Kurve 38 bei niedrigen Stromdichten nahezu linear anwächst, aber von einem bestimmten Wert der Stromdichte ab, der die Schwelle für selektive Fluoreszenz darstellt, plötzlich sehr stark ansteigt. Wie in der Hauptpatentanmeldung bereits beschrieben, wird an dieser Schwelle die Breite der Emissionslinie wesentlich verringert, so daß die Lichtintensität stark vergrößert wird. Bei weiterer Erhöhung des Stromes dominiert schließlich diese Emissionslinie. Die Verringerung der Emissionslinienbreite bei Injektionssendern ohne Resonator ist in Fig. 3 durch Kurve40 dargestellt; und zwar wird die Emissionslinienbreite in halber Höhe der Linie durch/fis ausgedrückt und wird als Funktion vom Strom dargestellt. Die Schwelle selektiver Fluoreszenz für Injektionssender ohne optischen Resonator wird bei Stromdichten in der Größenordnung von 10* bis 10⁵ Amp./cm² erreicht. Unter Ausnutzung der Wirkung eines optischen Resonators gemäß der Erfindung wird die Schwelle für die selektive Fluoreszenz beträchtlich reduziert, wie es die Kurve 42 von F i g. 2 zeigt, und daher wird die Verminderung der Emissionsbandbreite schon bei beträchtlich unter 10⁴ Amp./cm² liegenden Stromdichten erreicht, wie aus Kurve 44 hervorgeht.

Die in Fig. 1 dargestellten optisch ebenen, parallelen Oberflächen 14 α und 14 & können durch bekannte Schleif- und Polierverfahren oder durch Spaltverfahren unter Anwendung einer Kraft entlang der dem Minimalband entsprechenden kristallographischen Ebene des Halbleiterkristalls hergestellt werden. Das Aufbringen der vollständig und etwas durchlässig spiegelnden Schichten 18 und 20 auf die optisch glatten Flächen 14 a bzw. 16 a kann durch

ao bekannte Aufdampfungsverfahren erfolgen.

Sind schmalere Emissionslinien erwünscht, kann der erfindungsgemäße Injektionssender bei sehr tiefen Temperaturen, z. B. bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs, betrieben werden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker mit Halbleiterdiode zur unmittelbaren Umwandlung elektrischer Energie in kohärente Lichtenergie, der mittels Gleichstrom durch einen in Flußrichtung belasteten PN-Übergang zur Injektion von Ladungsträgern, deren Dichte oberhalb eines durch die Halbleitereigenschaften bestimmten Schwellenwertes liegt, zur selektiven Fluoreszenz angeregt wird, nach Hauptpatentanmeldung J 24565 VIIIc/21 f (deutsche Auslegeschrift 1183 599), dadurch gekennzeichnet, daß von den beiden einander gegenüberstehenden, parallel zum PN-Übergang angeordneten Begrenzungsflächen der Halbleiterdiode die eine mit einer spiegelnden Schicht und die andere mit einer etwas durchlässig spiegelnden Schicht versehen ist, wobei der Abstand der beiden Schichten voneinander so gewählt ist, daß ein optischer Resonator für die Wellenlänge der selektiven Fluoreszenz ensteht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Galliumarsenid bestehende Halbleiterkörper auf seiner teilweise verspiegelten Schicht eine Ringelektrode und auf der verspiegelten Schicht eine Kontaktelektrode trägt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 970 869, 1052 563; Physical Review, Bd. 127, Nr. 5 vom 1. 9.1962, S. 1559 bis 1563.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen