DE1194976B - Halbleiter-Dioden-Rekombinationsstrahler fuer den optischen Bereich - Google Patents

Halbleiter-Dioden-Rekombinationsstrahler fuer den optischen Bereich

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DE1194976B
DE1194976B DES83893A DES0083893A DE1194976B DE 1194976 B DE1194976 B DE 1194976B DE S83893 A DES83893 A DE S83893A DE S0083893 A DES0083893 A DE S0083893A DE 1194976 B DE1194976 B DE 1194976B
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Dr Manfred Zerbst
Dr Guenter Winstel
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. α.:
HOIs
Deutsche Kl.: 2If-89/03
Nummer: 1194 976
Aktenzeichen: S 83893 VIII c/21 f
Anmeldetag: 25. Februar 1963
Auslegetag: 16. Juni 1965
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Erzeugen oder Verstärken einer hochfrequenten, insbesondere im optischen Bereich liegenden Strahlung, bestehend aus einem elektronisch leitenden, insbesondere einkristallinen Halbleiterkörper, der mindestens je einen p- und einen η-leitenden Bereich aufweist, aus dem die Ladungsträger beim Stromdurchfluß in ein Übergangsgebiet zwischen diesen beiden Gebieten fließen.
Strahlungserzeugende Halbleitervorrichtungen sind an sich bekannt. Ein Beispiel hierfür ist eine GaI-liumarseniddiode, die, in Flußrichtung gepolt, eine intensive Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 8600A emittiert. Bei einer solchen Elektrolumineszenzanordnung wird die Rekombinationsenergie von Elektronen und Defektelektronen in dem zwischen der p- und η-leitenden Zone liegenden Übergangsgebiet, also am pn-übergang, ausgenutzt. Dabei können die zur Lichterzeugung rekombinierenden Ladungsträger von zwei dünnen, sich gegenüberstehenden Oberflächenschichten unterschiedlichen Leitungstyps in den hochohmigen Kristall injiziert werden, während die die Lichterzeugung bewirkende Rekombination der von den Oberflächenschichten injizierten Elektronen und Defektelektronen im hochohmigen Innern des Kristalls bewirkt wird.
Ferner wurde pn-Lumineszenz in Galliumphosphid, das mit Zinn bzw. Goldzinn dotiert bzw. kontaktiert ist, beobachtet.
Für eine hohe Lichtausbeute bei der strahlenden Rekombination der über einen pn-übergang injizierten Ladungsträger ist ein direkter Band-Band-Übergang erforderlich. Der für eine derartige Elektrolumineszenzdiode verwendete Halbleiterstoff muß eine derartige Bandstruktur aufweisen, daß das tiefste Minimum des Leitungsbandes und das höchste Maximum des Valenzbandes bei gleichen k-Werten liegen. In diesem Fall erfolgt die Rekombination unter Erhaltung des Impulses.
In der Fig. 1 ist der Verlauf des Leitungsbandes L und des Valenzbandes V in einem Halbleiterkristall unter Berücksichtigung der Anisotropie im Prinzip dargestellt. Die zu beiden Seiten der Ordinate, auf der die Energiewerte E in eV aufgetragen sind, liegenden Gebiete entsprechen zwei verschiedenen Richtungen im Kristall. Die dazugehörigen Beträge für den Wellenzahlvektor k bzw. kf sind auf der Abszisse in den beiden Kristallrichtungen aufgetragen. Allgemein ist immer derjenige Band-Band-Übergang bevorzugt, der vom höchsten Maximum des Valenzbandes zum tiefsten Minimum des Leitfähigkeitsbandes erfolgt. Bei dem in der F i g. 1 dar-Halbleiter-Dioden-Rekombinationsstrahler
für den optischen Bereich
Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2
Als Erfinder benannt:
Dr. Günter Winstel,
Dr. Manfred Zerbst, München
gestellten Bänderschema liegt das tiefste Minimum des Leitungsbandes beim gleichen k-Wert wie das höchste Maximum des Valenzbandes. Der direkte Band-Band-Ubergang ist also bevorzugt. Diese Bedingung ist für Halbleitersubstanzen erfüllt, für die gilt a<Lb.
Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Prinzip des Verlaufs von Leitfähigkeits- und Valenzband liegt das tiefste Minimum des Leitfähigkeitsbandes demgegenüber bei einem bezüglich des höchsten Maximums des Valenzbandes verschiedenen k-Wert. Bei Stoffen, die eine solche Lage der Extrema der Bänder aufweisen, ist der durch den Pfeil 1 dargestellte indirekte Bandübergang bevorzugt. Da jedoch der indirekte Band-Band-Übergang praktisch zu 100% nicht strahlend erfolgt, ist die Lichtausbeute bei der Rekombination der über einen pn-übergang injizierten Ladungsträger bei derartigen Stoffen sehr gering, und Stoffe mit der im Zusammenhang mit der F i g. 2 erläuterten Bandstruktur sind daher für Halbleiteranordnungen zur Erzeugung oder Verstärkung einer hochfrequenten Strahlung ungeeignet. Dies gilt für diejenigen Halbleitersubstanzen, bei denen a'^>b' ist.
Halbleiterstoffe, die eine im Zusammenhang mit der F i g. 1 erläuterte Bandstruktur aufweisen, für die also gilt a<Cb, so daß der direkte Band-Band-Ubergang der bevorzugte ist, sind z. B. einige AinBv-Verbindungen, wie Galliumarsenid, Galliumantimonid, Indiumphosphid, Indiumarsenid und Indiumantimonid. Dioden aus diesem Material liefern nur diskrete, durch die Bandabstände festgelegte Lichtweilenlängen.
Es ist der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, auch diejenigen Bereiche, die zwischen diesen
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diskreten Wellenlängen liegen, zu erfassen, den Wellenlängenbereich zu erweitern und vor allem eine im sichtbaren Gebiet liegende Strahlung zu erzielen.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Dioden-Rekombinationsstrahler für den optischen Bereich, bestehend aus einem elektronenleitenden, insbesondere einkristallinen Halbleiterkörper, der mindestens je einen p- und einen η-leitenden Bereich aufweist, aus dem die Ladungsträger beim Stromdurchfluß in Durchlaßrichtung in ein Übergangsgebiet zwischen diesen beiden Gebieten fließen, und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper wenigstens im Übergangsgebiet aus einem Mischkristall besteht, der eine derartige Bandstruktur aufweist, daß das tiefste Minimum des Leitungsbandes (L) und das höchste Maximum des Valenzbandes (V) bei gleichen k-Werten liegen, und daß die Wellenlänge der beim Anlegen der Spannung ausgesandten Strahlung durch Wahl des Mischungsverhältnisses der Komponenten eingestellt ist.
Bei einer Anordnung gemäß der Erfindung besteht also der Halbleiterkörper wenigstens im Übergangsgebiet aus einem Mischkristall mit wenigstens zwei Komponenten. Diese Komponenten weisen eine Bandstruktur auf, die der in Fig. 1 im Prinzip dargestellten entspricht. Solche Substanzen sind z. B. die eingangs genannten /imßy-Verbindungen. Mit einer Anordnung, bei der wenigstens das Übergangsgebiet aus einem derartigen Mischkristall besteht, können Elektrolumineszenzdioden mit einer Strahlung, die im Wellenbereich von 0,86 bis 5,1 μπι liegt, hergestellt werden. **
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besteht der Halbleiterkörper mindestens im Übergangsgebiet aus einem Mischkristall, bei dem mindestens eine der den Mischkristall bildenden Komponenten eine derartige Bandstruktur aufweist, daß das tiefste Minimum des Leitungsbandes und das höchste Maximum des Valenzbandes bei gleichen k-Weiten liegen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist diese Bedingung also nur für die eine der den Mischkristall bildenden Komponenten und für den Mischkristall selbst, jedoch nicht für die andere der den Mischkristall bildenden Komponenten erfüllt.
Gemäß der Erfindung wird also weiter eine Anordnung vorgeschlagen, bei der zu wenigstens einer der oben angegebenen Substanzen oder deren Mischkristallen, also zu solchen Substanzen, die ein in Fig. 1 im Prinzip dargestelltes Bänderschema aufweisen, wenigstens ein anderer Halbleiter mit an sich ungeeigneter Bandstruktur, also einer Bandstruktur, die dem in F i g. 2 im Prinzip dargestellten Bänderschema entspricht, d. h. mit verbotener direkter Band-Band-Rekombination, zugemischt ist. Bei diesem zugemischten Halbleiterstoff kann der in der F i g. 2 mit d bezeichnete Bandabstand größer oder kleiner sein als der in der Fig. 1 mit α bezeichnete Bandabstand. Die Lage der verschiedenen Minima des Leitungsbandes und/oder Valenzbandes des Mischkristalls zeigen dabei eine etwa lineare Abhängigkeit von der Konzentration der den Mischkristall bildenden Komponenten. Durch Zumischung einer solchen an sich für Elektrolumineszenzdioden ungeeigneten Substanz kann also der Bandabstand und damit die Wellenlänge der ausgesandten Strahlung in gewünschter Weise eingestellt werden. Beispielsweise kann durch Zumischung eines Halbleiterstoffes entsprechend größeren Bandabstandes erreicht werden, daß die Wellenlänge der ausgesandten Strahlung im sichtbaren Bereich liegt.
Wesentlich für die Anordnung zum Erzeugen oder Verstärken einer hochfrequenten Strahlung, wie sie gemäß der Erfindung vorgeschlagen wird, ist, daß die zugemischte Substanz, die an sich keine direkte Band-Band-Rekombination aufweist, eine bestimmte Konzentration nicht überschreitet. Erfindungsgemäß ist das Mischungsverhältnis der verschiedenen Komponenten so gewählt, daß die Bedingung, daß das höchste Minimum des Leitungsbandes und das höchste Maximum des Valenzbandes bei gleichen k-Werten liegen, auch für den Mischkristall erfüllt ist. Die maximal mögliche Konzentration der zugemischten Substanz, also die maximal erzielbare Wellenlängenänderung, ist dadurch gegeben, daß diese oben angegebene Bedingung für den Mischkristall gerade noch erfüllt ist, d. h. daß die direkte Rekombination gerade noch bevorzugt ist.
Die durch Zumischung eines Stoffes mit einem in Fig. 2 dargestellten Bänderschema zu einem Stoff mit einem in F i g. 1 dargestellten Bänderschema erzielte Bandaufweitung des in der Fig. 1 mit α bezeichneten direkten Bandabstandes bzw. die Verminderung des mit b bezeichneten indirekten Bandabstandes darf höchstens so groß sein, daß a = b wird. Dies entspricht einer bestimmten Konzentration des zugemischten Stoffes im Mischkristall, die nicht überschritten werden darf, da sonst der Bandabstand a größer als der Bandabstand b wird und damit der für eine hohe Lichtausbeute günstige, direkte Band-Band-Übergang nicht mehr bevorzugt ist.
Die gleiche Bedingung für die maximale Konzentration des zugemischten Stoffes ergibt sich auch für einen Mischkristall, für dessen Komponente gilt, daß a>a' ist, bei dem also der Bandabstand und damit die Wellenlänge der ausgesandten Strahlung vermindert wird.
Da die unter Abgabe einer Strahlung erfolgende Rekombination im Übergangsgebiet erfolgt, genügt es, wenn nur dieses Ubergangsgebiet aus dem Mischkristall besteht, während die an das Übergangsgebiet angrenzenden Gebiete aus einem Halbleiterstoff der einen oder der anderen Komponente vorzugsweise — zur Erzielung eines hohen Emitterwirkungsgrades — aus der Komponente mit dem größeren Bandabstand zwischen dem tiefsten Minimum des Leitungsbandes und dem höchsten Maximum des Valenzbandes, bestehen können. So ist z. B. eine Anordnung günstig, bei der die an das Übergangsgebiet angrenzenden Gebiete aus Galliumphosphid bestehen, während das Übergangsgebiet aus einem Galliumarsenid-Galliumphosphid-Mischkristall besteht, der das der gewünschten Wellenlänge entsprechende Mischungsverhältnis aufweist.
Gemäß einer günstigen Weiterbildung der Erfindung weist der Halbleiterkörper einen allmählichen Übergang von einem Gebiet, das aus dem Halbleiterstoff der einen Komponente besteht, zu einem Gebiet, das aus dem Halbleiterstoff der anderen Komponente besteht, auf, mit einem zwischen diesen beiden Gebieten liegenden Bereich aus dem Mischkristall der beiden Komponenten, in dem das Mischungsverhältnis sich längs des Halbleiterkörpers ändert und nur im Übergangsgebiet das der gewünschten Wellenlänge entsprechende Mischungsverhältnis aufweist. So kann bei einer Anordnung
gemäß der Erfindung das eine Gebiet z. B. aus Galliumphosphid, das andere aus Galliumarsenid bestehen. Während zwischen diesen beiden Gebieten ein Bereich liegt, der aus einem Galliumarsenid-Galliumphosphid-Mischkristall besteht, bei dem die Galliumphosphidkonzentration in Richtung zu dem aus Galliumphosphid bestehenden Gebiet und die Galliumarsenidkonzentration in Richtung zu dem aus Galliumarsenid bestehenden Gebiet zunimmt. Das Mischungsverhältnis der beiden Komponenten wird dabei so eingestellt, daß es im Übergangsgebiet der gewünschten Wellenlänge entspricht.
Bei einer Anordnung gemäß der Erfindung kann natürlich auch der ganze Halbleiterkörper, also auch die an das Übergangsgebiet angrenzenden Bereiche, aus dem Mischkristall bestehen. Weiter ist es auch möglich, daß der Mischkristall aus mehr als zwei Komponenten besteht.
Die beiden an das Ubergangsgebiet angrenzenden Gebiete können auch bis über die Entartung dotiert sein.
Besonders günstig ist es, wenn das Übergangsgebiet durch eine i- oder s-leitende Zone gebildet wird. Dabei ist unter einer s-leitenden Zone eine bezüglich des angrenzenden Bereichs sehr schwach dotierte Zone zu verstehen. Sind die beiden an die s-leitende Zone angrenzenden Gebiete bis über die Entartung dotiert, so kann die Dotierung in der s-leitenden Zone auch so weit gehen, daß gerade keine Entartung vorliegt.
Wird z. B. eine Elektrolumineszenzdiode so aufgebaut, daß sich zwischen der n- und p-leitenden Zone eine das Übergangsgebiet bildende s-leitende Zone befindet, so wird das lichtemittierende Volumen, also die Leistung der Lichtquelle sowie die geometrische Ausdehnung der Lichtquelle vergrößert, da die Übergangsschicht, in der die strahlende Rekombination erfolgt, durch diese Maßnahme verbreitert wird. Eine i- oder s-leitende Zone zwischen der n- und p-leitenden Zone als Übergangsgebiet ist auch bei selektiv fiuoreszenten Dioden für optische Sender oder Verstärker sehr günstig.
Um eine strahlende Rekombination am pn-übergang bzw. in der i- oder s-Zone zu erzielen, ist das Anlegen einer Spannung notwendig, durch die erreicht wird, daß dem Übergangsgebiet Ladungsträger beiderlei Vorzeichens zufließen. An einem pn- bzw. pin- oder psn-Übergang muß diese Spannung also so eingestellt werden, daß die Anordnung in Flußrichtung gepolt ist. Da nur so lange eine Rekombination der Ladungsträger unter Aussendung einer Strahlung im Übergangsgebiet erfolgen kann, wie dem Übergangsgebiet durch die angelegte Spannung Ladungsträger zugeführt werden, kann eine Modulation der ausgesandten Strahlung auf einfache Weise dadurch erfolgen, daß die angelegte Spannung im Takte der gewünschten Modulation veränderbar ist. Weiter kann eine Modulation der ausgesandten Strahlung auch dadurch erfolgen, daß der angelegten Spannung eine Wechselspannung überlagert wird.
Da mit einer Elektrolumineszenzdiode bzw. selektiv fiuoreszenten Diode für optische Sender oder Verstärker gemäß der Erfindung, wie bereits ausgeführt, eine bis in das sichtbare Gebiet reichende Strahlung erzeugt werden kann, kann eine derartige Anordnung z. B, für modulierte Lichtsender für Nachrichtenübertragung Verwendung finden.
Gemäß der Erfindung besteht bei dem wenigstens einen Teil der Anordnung bildenden Mischkristall wenigstens eine der den Mischkristall bildenden halbleitenden Komponenten aus einer AInBv-Verbindung. Die andere Komponente kann auch aus einem halbleitenden Element, wie z. B. Germanium, bestehen.
Für eine Elektrolumineszenzdiode bzw. eine selektiv fluoreszente Diode, deren abgegebene Strahlung insbesondere im langwelligen optischen Gebiet liegt, muß den in ihrer Bandstruktur den eingangs angegebenen halbleitenden Verbindungen entsprechenden Halbleiterstoffen ein Halbleiterstoff mit entsprechend größerem Bandabstand zugemischt werden. Dafür in Frage kommende Halbleiterstoffe sind z. Bi Galliumphosphid oder Aluminiumphosphid, das einen noch größeren Bandabstand als Galliumphosphid aufweist. Eine Verkleinerung der Bandabstände der eingangs erwähnten Verbindungen kann z. B. durch Zugabe von grauem Zinn erreicht werden. Voraussetzung für die zugemischten Stoffe ist außer der erwähnten Bandstruktur ihre Mischbarkeit in dem gewünschten Mischungsbereich. Zur Herstellung einer Halbleiter-Diode wird z. B. so vorgegangen, daß man, wie in F i g. 5 dargestellt, die Abstände der Minima des Leitungsbandes vom höchsten Maximum des Valenzbandes in Abhängigkeit von der Konzentration der den Mischkristall bildenden Komponenten aufträgt Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 sind auf der linken Seite die Abstände der Minima des Leitungsbandes vom höchsten Maximum des Valenzbandes in eV für reines Galliumarsenid und auf der rechten Seite für reines Galliumphosphid aufgetragen.
Der Wert 1,43 entspricht bei Galliumarsenid dem in F i g. 1 mit α bezeichneten Wert, also dem bei gleichem k-Wert liegenden Abstand des tiefsten Minimums des Leitungsbandes vom höchsten Maximum des Valenzbandes, während der Wert 1,77 dem Wert b in F i g. 1 entspricht. Bei Galliumphosphid, das im Prinzip eine Bandstruktur gemäß F i g. 2 aufweist, entspricht der Wert 2,2 dem mit b' bezeichneten Bandabstand, während der Wert 2,6 dem mit d bezeichneten Bandabstand entspricht. Der Schnittpunkt der beiden Geraden gibt die maximale Galliumphosphidkonzentration an, bis zu der der direkte Band-Band-Übergang gerade noch bevorzugt ist. Die durch den Schnittpunkt verlaufende, senkrecht auf der Abszisse stehende Gerade 22 trennt zwei mit 14 und 15 bezeichnete Bereiche. Für die dem Bereich 14 entsprechenden Mischungsverhältnisse tritt die direkte Rekombination auf, während für die dem Bereich 15 entsprechenden Mischungsverhältnisse die indirekte Rekombination auftritt.
Um aus diesem Diagramm die maximal mögliche Konzentration des zugemischten Stoffes zu entnehmen, ist Voraussetzung, daß sich der Bandabstand linear mit der Konzentration ändert und daß die Energiewerte für die Bandabstände der den Mischkristall bildenden Komponenten genau bekannt sind. Im allgemeinen geht man so vor, daß man in einem Diagramm gemäß F i g. 5 auf den beiden Ordinaten α und b bzw. d und b' aufträgt und α mit d sowie b mit V verbindet und die dem Schnittpunkt der beiden Geraden entsprechende Konzentration der Komponenten den auf der Abszisse angegebenen Werten entnimmt. Da eine hohe Lichtausbeute, wie bereits ausgeführt, nur so lange
erreicht wird, wie die direkte Band-Band-Rekombination bevorzugt ist, kann eine erforderliche Korrektur des aus einem Diagramm gemäß F i g. 5 für die Konzentration der Komponenten entnommenen Wertes durch Versuche, bei denen die Konzentration des zugemischten Stoffes in Grenzen variiert wird, erfolgen.
Besteht eine Halbleiterdiode gemäß der Erfindung wenigstens im Übergangsgebiet oder auch die ganze Diode aus einem Galliumarsenid-Galliumphosphid-Mischkristall, so ist eine Galliumphosphidkonzentration im Mischkristall von maximal 50 Atomprozent zugelassen. Dadurch wird der Wellenlängenbereich bis zu 6100 A, d. h. bis in das sichtbare Gebiet hinein erweitert. Dieser Bereich kann z. B. durch Bildung eines Galliumarsenid-Aluminiumphosphid-Mischkristalls noch erheblich erweitert werden, da das Aluminiumphosphid einen Bandabstand von 3,1 eV aufweist.
In der F i g. 3 ist der mechanische Aufbau einer Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt. Die ao Diode selbst besteht aus einem z. B. n-leitenden Mischkristall, z.B. GaAs:GaP, in den eine Legierungspille?, z.B. eine In-Zn-Legierung, unter Bildung einer p»leitenden Zone einlegiert ist. Der Mischkristall 2, der z. B. eine Dicke von weniger 10 μπι aufweist, ist in einer öffnung einer Platinscheibe 3 angeordnet und wird durch diese gehaltert. Auf die Platinscheibe 3 ist ein Ring 4 aus isolierendem Material, z. B. aus Keramik, aufgesetzt, der an seiner von der Platinplatte abgewandten Seite metallisiert ist. Mit dieser Metallisierung ist die als Stromzuführung zur Legierungspille 7 dienende Leitung 6 verbunden. Das System ist mittels einer Metallplatte 5 verschlossen. Die Metallplatten 3 und 5 bilden die beiden Anschlußelektroden für die Halbleiter-Diode. Es kann auch noch eine Linse 8 vorgesehen sein, mittels der eine entsprechende Regelung des Strahlengangs möglich ist.
In der F i g. 4 ist eine psn-Diode gemäß der Erfindung dargestellt, wie sie z. B. als selektiv fluoreszente Diode in optischen Sendern oder Verstärkern Verwendung finden kann. Sie besteht aus einem η-leitenden Gebiet 9 und einem p-leitenden Gebiet 11, die beide bis über die Entartung dotiert sind. Wenigstens das Zwischengebiet 10 besteht aus einem Mischkristall, der eine derartige Bandstruktur aufweist, daß das tiefste Minimum des Leitungsbandes und das höchste Maximum des Valenzbandes bei gleichen k-Werten liegen. Dabei genügt es, wie bereits ausgeführt wurde, wenn wenigstens eine der den Mischkristall bildenden Komponenten eine derartige Bandstruktur aufweist, bei der der direkte Band-Band-Übergang bevorzugt ist, während die andere Komponente eine derartige Bandstruktur aufweisen kann, daß der indirekte Band-Band-Übergang der bevorzugte ist. Die Dotierung der s-leitenden Zone 10 kann dabei bis zur Entartung gehen. Die p- und η-leitende Zone ist mit je einem mit 12 und 13 bezeichneten großflächigen Metallkontakt bedeckt. Die mit 14 bezeichnete Fläche der Diode, also die ganze Vorderseite sowie die dieser gegenüberliegende, in der Figur nicht sichtbare Fläche, ist bei der Verwendung der Diode in einem optischen Sender verspiegelt. Durch die in das Übergangsgebiet eindringende Strahlung 51 wird eine konhärente gebündelte Strahlung S 2 erzeugt.
Durch Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Metallelektroden 12 und 13, die so gepolt ist, daß der pn-übergang in Flußrichtung liegt, kann erreicht werden, daß die Diode als optischer Verstärker arbeitet. In diesem Fall kann die Verspiegelung der beiden Stirnflächen entfallen.
Die in F i g. 4 dargestellte Anordnung kann auch als Elektrolumineszenzdiode verwendet werden. Die Verspiegelung der Stirnflächen entfällt dann. Die Dotierung der Zonen 9 und 11 kann dann weit unter der Entartungsdotierung liegen, also der im allgemeinen bei Halbleiteranordnungen üblichen Dotierungskonzentrationen entsprechen. Auch die Dotierung der s-leitenden Zone 10 ist dann wesentlich geringer.
Da eine Anordnung gemäß der Erfindung eine durch das Mischungsverhältnis der Komponenten einstellbare Wellenlänge einer im sichtbaren Bereich liegenden Strahlung liefert, wobei die z. B. bei Galliumarseniddioden bekannte hohe Lichtausbeute von nahezu 100% erhalten bleibt, kann eine Diode gemäß der Erfindung auch mit Vorteil als Strahlungsenergiequelle zur Anregung des selektiv fluoreszenten Mediums in optischen Sendern oder Verstärkern verwendet werden. Durch eine Diode gemäß der Erfindung kann also die für optische Sender oder Verstärker notwendige Anregungsstrahlung, die zum Anheben in das höhere Energieniveau dient, deren Frequenz also höher liegen muß als die der ausgesandten Strahlung, geliefert werden. Die Modulation der unter dem Einfluß einer Anregungsstrahlung durch den optischen Sender ausgesandten Strahlung kann durch Modulation der Anregungsstrahlung über die an der Diode anliegende Spannung erfolgen.

Claims (17)

Patentansprüche:
1. Halbleiter-Dioden-Rekombinationsstrahler für den optischen Bereich, bestehend aus einem elektronenleitenden, insbesondere einkristallinen Halbleiterkörper, der mindestens je einen p- und einen η-leitenden Bereich aufweist, aus dem die Ladungsträger beim Stromdurchfluß in Durchlaßrichtung in ein Übergangsgebiet zwischen diesen beiden Gebieten fließen, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper wenigstens im Übergangsgebiet aus einem Mischkristall besteht, der eine derartige Bandstruktur aufweist, daß das tiefste Minimum des Leitungsbandes (L) und das höchste Maximum des Valenzbandes (F) bei gleichen k-Werten liegen und daß die Wellenlänge der beim Anlegen der Spannung ausgesandten Strahlung durch Wahl des Mischungsverhältnisses der Komponenten eingestellt ist.
2. Rekombinationsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einer der den Mischkristall bildenden Komponenten das tiefste Minimum des Leitungsbandes und das höchste Maximum des Valenzbandes bei gleichen k-Werten liegen.
3. Rekombinationsstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis der verschiedenen Komponenten so gewählt ist, daß die Bedingung, daß das tiefste Minimum des Leitungsbandes und das höchste Maximum des Valenzbandes bei gleichen k-Werten liegen, für den Mischkristall gerade noch erfüllt ist.
4. Rekombinationsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden an das Übergangsgebiet angrenzenden Gebiete aus einer der den Mischkristall bildenden Komponenten bestehen.
5. Rekombinationsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden an das Übergangsgebiet (s) angrenzenden Gebiete (n, p) aus der Komponente mit dem größeren Bandabstand zwischen dem tiefsten Minimum des Leitungsbandes und dem höchsten Maximum des Valenzbandes bestehen.
6. Rekombinationsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden an das Übergangsgebiet (s) angrenzenden Gebiete (n, p) ebenfalls aus dem Mischkristall bestehen.
7. Rekombinationsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper einen allmählichen Übergang von einem Gebiet, das aus dem Halbleiterstoff der einen Komponente besteht, zu einem Gebiet, das aus dem Halbleiterstoff der anderen Komponente besteht, aufweist mit einem zwischen diesen beiden Gebieten liegenden Bereich aus dem Mischkristall der beiden Komponenten, in dem das Mischungsverhältnis sich längs des Halbleiterkörpers ändert und nur im Übergangsgebiet (j) das der gewünschten Wellenlänge entsprechende Mischungsverhältnis aufweist.
8. Rekombinationsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an das Übergangsgebiet (s) angrenzenden Gebiete bis über die Entartung dotiert sind.
9. Rekombinationsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsgebiet (s) durch eine i- oder bezüglich der angrenzenden Gebiete s-leitende Zone gebildet ist.
10. Rekombinationsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß diejenige der den Mischkristall bildenden Komponenten, bei der das tiefste Minimum des Leitfähigkeitsbandes und das höchste Maximum des Valenzbandes nicht bei gleichen k-Werten liegen, eine größere Breite der zwischen dem tiefsten Minimum des Leitfähigkeitsbandes und dem höchsten Maximum des Valenzbandes liegenden verbotenen Zone (a') aufweist als diejenige Komponente, bei der das tiefste Minimum des Leit-
fähigkeitsbandes und das höchste Maximum des Valenzbandes bei gleichen k-Werten liegen (ä).
11. Rekombinationsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Bildung des Mischkristalls entstehende Breite der zwischen dem tiefsten Minimum des Leitfähigkeitsbandes und dem höchsten Maximum des Valenzbandes liegenden verbotenen Zone (α) einer im sichtbaren Gebiet liegenden Wellenlänge entspricht.
12. Rekombinationsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Modulation der von der Anordnung ausgesandten Strahlung die angelegte Spannung im Takte der gewünschten Modulation veränderbar ist.
13. Rekombinationsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der den Mischkristall bildenden halbleitenden Komponenten aus einer A111By-Verbindung oder aus einem AniBv-Mischkristall besteht.
14. Rekombinationsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das Übergangsgebiet im Halbleiterkörper aus einem Galliumphosphid-Galliumarsenid-Mischkristall besteht.
15. Rekombinationsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Galliumphosphidkonzentration im Mischkristall maximal 50 Atomprozent beträgt.
16. Anwendung eines Rekombinationsstrahlers nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15 als selektiv -fluoreszentes Medium eines optischen Senders oder Verstärkers.
17. Anwendung eines Rekombinationsstrahlers nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16 als Anregungsenergiequelle für das Medium eines optischen Senders oder Verstärkers.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 1052 563;
Bulletin des Schweizerischen Elektrotechnischen Vereins (ETV), Bd. 54, Nr. 4 vom 23. 2. 1963,
S. 130, 131;
Philips Technische Rundschau, 1960/61, N. 11,
S. 401, 402;
Nuclear Instruments and Methods, Bd. 14 (1961) S. 355, 356.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
DES83893A 1963-02-25 1963-02-25 Halbleiter-Dioden-Rekombinationsstrahler fuer den optischen Bereich Pending DE1194976B (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1276817B (de) * 1966-02-15 1968-09-05 Siemens Ag Halbleiter-Lumineszenzdiode sehr hoher Lichtausbeute

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DE1276817B (de) * 1966-02-15 1968-09-05 Siemens Ag Halbleiter-Lumineszenzdiode sehr hoher Lichtausbeute

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