DE1220950B - Optischer Sender oder Verstaerker mit einer in Durchlassrichtung vorgespannten Halbleiterdiode - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES W^Ĺ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIs

H05b
Deutsche Kl.: 21g-53/00

Nummer: 1220 950

Aktenzeichen: J 27206 VIII c/21 g

Anmeldetag: 23. Dezember 1964

Auslegetag: 14. Juli 1966

Die Erfindung betrifft einen optischen Sender oder Verstärker mit einer in Durchlaßrichtung vorgespannten Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium, einen sogenannten Injektionslaser, welche zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, die durch eine Sperrschicht getrennt sind.

Optische Sender oder Verstärker lassen sich auf mannigfaltige Weise realisieren. Bei Gasmedien kann eine Mischung von Helium mit Neon, bei kristallinen Medien Rubinstäbe, Glasstäbe oder solche aus seltenen Erden, bei Flüssigkeiten Benzol oderPyridin und bei Halbleitern Galliumarsenid verwendet werden. Bei diesen selektiv fluoreszenten Medien kann die Anregungsenergie in Form von Lichtenergie oder elektrischer Energie zugeführt werden. Infolge der Anregung wird in dem in einem optischen Resonator angeordneten selektiv fluorenszenten Medium die Anzahl der Photonen vervielfacht und eine Anhäufung der Photonen herbeigeführt, bis die erforderliche Lichtintensität erreicht ist. Der Betrieb des optischen Senders oder Verstärkers kann dabei intermittierend oder stetig sein.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen gegenüber bisher in seiner Wirkung verbesserten optischen Sender oder Verstärker bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die eine Zone, die aus tranparentem, fluoreszentem Material besteht, durch eine in ihrer Stärke 100 A nicht übersteigende Sperrschicht aus Metalloxyd von der anderen Zone getrennt ist. Beide Zonen besitzen hierbei jeweils einen Überschuß an freien Elektronen bzw. einen Überschuß an freien Löchern. Wenn die in Durchlaßrichtung angelegte Vorspannung gleich dem Energieunterschied ist, der dem Bandabstand des transparenten, fluoreszenten Materials entspricht, dann werden infolge der Tunnelwirkung über die Sperrschicht entsprechende Ladungsträger in dieses transparente, fluoreszente Material injiziert. Diese so injizierten Ladungsträger rekombinieren hier nacheinander mit den Trägern entgegengesetzter Ladung, wobei dann Energie in Form von Lichtstrahlung abgegeben wird. Um die erforderliche Stromdichte der injizierten Ladungsträger herabzusetzen, werden reflektierende Flächen parallel zur Stromrichtung des Festkörpermediums vorgesehen, so daß ein optischer Resonator für die entstehende stimulierte Strahlung gebildet wird. Die so entstehende kohärente Strahlung wird dann von der Übergangsschicht abgestrahlt.

Weitere Vorteile der Erfindung und der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgaben ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die an Hand eines Optischer Sender oder Verstärker mit einer
in Durchlaßrichtung vorgespannten
Halbleiterdiode

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,

Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Rudolph Roland Haering,

North Vancouver, British Columbia (Kanada);

Peter Benjamin Miller,

Peekskill, Westchester, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 31. Dezember 1963
(334722)

Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen optischen Sender oder Verstärker gemäß der Erfindung,

Fig. 2a und 2b graphische Darstellungen zur Erläuterung der Bandstruktur für den Fall, daß keine Vorspannung anliegt, und für den Fall, daß die Vorspannung gleich dem Bandabstand ist,

Fig. 3a und 3b Stromspannungskennlinien und Lichtemissionskurven für p-leitendes bzw. n-leitendes Material.

Das kristallin selektiv fluoreszente Medium des optischen Senders und Verstärkers nach Fig. 1 enthält drei Schichten. Die untere Schicht 1 besteht aus reinem Aluminium, also aus einem reinen Leiter, der einen Überschuß an freien Elektronen besitzt, die frei beweglich sind. An einer Oberfläche ist diese Aluminiumschicht 1 oxydiert, so daß sich eine sehr dünne Sperrschicht 2 aus Aluminiumoxyd mit einer Dicke in der Größenordnung von etwa 100 A oder weniger an die Schicht 1 anschließt. An diese Sperrschicht 2 schließt sich eine transparente Schicht 3 an, die aus p-leitendem Leuchtstoff besteht, lumineszent ist und einen Überschuß an Löchern besitzt. Elektroden 4 und 5 sind in geeigneter Weise an die

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Schichten 3 und 1 angebracht und mit einer Spannungsquelle E verbunden.

Ist die an die Aluminiumschicht 1 angelegte negative Vorspannung gleich dem Bandabstand des p-leitenden Leuchtstoffs, dann werden dieüberschußelektronen der Aluminiumschicht 1 durch Tunnelwirkung über die Sperrschicht 2, also einer Isolierschicht zwischen dem η-leitenden und p-leitenden Material, in die Leuchstoffschicht 3 injiziert. Diese Elektronen oder Minoritätsträger, wie sie auch genannt werden, kombinieren nacheinander mit den Überschußlöchern in der Leuchtstoffschicht 3 und lösen damit Photonen aus.

In p-leitendemMaterial mit der Quantenausbeute 1 wird ein Photon für jeden injizierten Minoritätsträger emittiert. Die Energie dieser Photonen ist normalerweise etwas geringer als die Energie, die der Absorptionskante entspricht, so daß die Photonen nicht stark resorbiert werden. Die Photonenemission steigt mit wachsender Dichte des Tunnelstroms an, wobei Stromdichten von 10² bis 10⁵ Ampere pro Quadratzentimeter möglich sind. Mit solchen Injektionsstärken ist es möglich, eine Ladungsträgerinversion zwischen dem Leitungsband und den Aktivierungszentren, deren Energien in der Nähe des Valenzbandes liegen, zu erzielen. Hierdurch ergibt sich eine stimulierte Strahlung, die auf selektiver Fluoreszenz beruht. Selektive Fluoreszenz kann auch schon bei kleineren Stromdichten erreicht werden, wenn das Halbleiterbauteil selbst als Resonator wirkt, indem reflektierende, zueinander parallelliegende Seitenflächen 7 und 9 am Halbleiterbauteil vorgesehen werden, so daß die Photonen zwischen diesen Seitenflächen hin und her reflektiert werden, bis ihre Intensität für eine innere Reflexion zu groß wird.

Bei Betrieb ergibt sich ein Stromanteil, der durch Majoritätsträgerinjektion bedingt ist. Dieser Stromanteil trägt nicht zur Lichtemission bei und ist unerwünscht. Die Sperrschicht 2 ist von außerordentlicher Bedeutung zur Verhinderung großer Majoritätsträgerströme. Andererseits aber ist die Intensität der Ausgangslichtstrahlung geringer, wenn diese Sperrschicht dicker wird. An Stelle von Aluminiumoxyd für die Sperrschicht 2 kann auch Siliziumoxyd oder ein anderes geeignetes Isoliermaterial verwendet werden. Neben Leuchtstoffen können auch andere p-leitende lumineszierende Materialien, wie z. B. Cadmiumtellurid oder Zinktellurid, verwendet werden. Außerdem hat sich gezeigt, daß Gold als Material für die Schicht 1 gut geeignet ist.

Die Bandstrakturen in Fig. 2a und 2b zeigen schematisch den Energieaufwand zur Injektion von Minoritätsträgern. In F i g. 2 a sind die Verhältnisse bei 0 Volt Vorspannung gezeigt, während in Fi g. 2 b die Vorspannung gleich dem Bandabstand ist, so daß ein Minoritätsträgerstrom auftreten kann.

In Fig. 3a und 3b sind Stromspannungskennlinien und Lichtemissionskurven gezeigt, und zwar für p-leitendes und für η-leitendes Material. Die Schicht 3 in der Darstellung nach F i g. 1 ist vorzugsweise p-leitendes Material, aber durch Umkehrung der Vorspannungspolarität kann ebensogut n-leitendes Material, wie z. B. Cadmiumsulfid oder Zinksulfid, verwendet werden.·

Der optische Sender oder Verstärker gemäß der ίο Erfindung wird bei normalen Temperaturen betrieben, so daß besondere Kühlvorrichtungen nicht erforderlich sind.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker mit einer in Durchlaßrichtung vorgespannten Halbleiterdiode als stimulierbarem Medium, welche zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, die durch eine Sperrschicht getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Zone (3), die aus transparentem, fluoreszentem Material besteht, durch eine in ihrer Stärke 100 A nicht übersteigende Sperrschicht (2) aus Metalloxyd von der anderen Zone (1) getrennt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (3) transparenten, fluoreszenten Materials vom p-Leitungstyp ist, die insbesondere aus Leuchtstoff, wie Cadmiumtellurid oder Zinktellurid besteht, während die Zone (1) vom n-Leitungstyp aus gut leitendem Metall, wie Aluminium oder Gold, besteht.

3. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht (2) aus Aluminiumoxyd besteht.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (3) transparenten, fluoreszenten Materials vom n-Leitungstyps ist, welche insbesondere aus Cadmiumsulfid oder Zinksulfid besteht.

5. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß senkrecht zur Stromrichtung liegende Begrenzungsflächen (7, 9) der Halbleiterdiode parallel zueinander angeordnet und für die fluoreszente Strahlung reflektierend ausgebildet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1052 563;
USA.-Patentschrift Nr. 3 059 117;
Journal of Applied Physics, Bd. 34, Nr. 11, November 1963, S. 3200 bis 3208, insbesondere S. 3205, Fig. 2;

Proc. of the JEEE, Bd. 51, Nr. 12, Dezember 1963, S. 1782 und 1783.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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