DE1439316B2 - Anordnung zur Erzeugung und/oder Verstärkung elektromagnetischer Strahlung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung und/oder Verstärkung elektromagnetischer Strahlung nach dem Laserprinzip mit einer in einem Halbleiterkörper befindlichen aktiven PN-Übergangszone sowie daran angrenzenden P- bzw. N-leitenden Stromzuführungsbereichen, die in wärmeleitendem Kontakt mit einem zur Wärmeableitung dienenden Körper stehen, der gleiches, jedoch eigenleitendes oder zumindest elektrisch relativ hochohmiges Halbleitermaterial wie der Halbleiterkörper enthält. Eine derartige Anordnung ist aus der Zeitschrift »Electronics«, Bd. 36 (21. 6. 1963), Nr. 25, S. 24 bekannt.

Es sind bereits Anordnungen aus halbleitendem Material nach Art einer Diode zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts, bekanntgeworden. Sie werden häufig als Lumineszenz-Dioden bezeichnet. Besonderes Interesse finden seit kurzem die nach dem Laserprinzip arbeitenden Lumineszenz-Dioden, die sogenannten Laserdioden. Hergestellt werden die Anordnungen, indem man in ein P- oder N-Ieitendes Halbleitermaterial einen Bereich mit entgegengesetztem Leitfähigkeitsmechanismus, das heißt N- bzw. P-Leitung, durch Dotierung erzeugt, so daß ein PN-Übergang entsteht. In diesem Übergangsgebiet besitzen durch Strom injizierte Ladungsträger eine gewisse Zeit lang Energiezustände, die energetisch höher als das Grundniveau liegen. Aus diesen Termen gehen sie unter Strahlungsemission in energieärmere Zustände über.

Eine bisher noch nicht zufriedenstellend gelöste Aufgabe, die bei der Realisierung derartiger Anordnungen auftritt, ist die Beherrschung der thermischen Probleme. Diese treten besonders bei Diodenlasern in den Vordergrund, da diese außerordentlich hohe Wärmemengen erzeugen. Diese Wärmemengen entstehen sowohl in der aktiven PN-Übergangsschicht als auch in daran angrenzenden P- bzw. N-leitenden Stromzuführungsbereichen innerhalb des Halbleitermaterials. Im Prinzip kann die spezifische Belastung des PN-Übergangs nicht unter ein Mindestmaß verkleinert werden. Das Mindestmaß ergibt sich aus der Notwendigkeit des Überschreitens der Anregungsschwelle. Die Anregungsschwelle ergibt sich aus der Bedingung des Überwiegens der stimulierten Emission über die Absorption, das heißt für das Auftreten des Lasereffekts.

Bei der eingangs genannten Anordnung ist die Laserdiode in einen größeren Kühlkörper eingepaßt, der aus demselben Material wie die Laserdiode besteht. Diese Art des Aufbaus hat aber den Nachteil, daß an den kaum zu vermeidenden Stoßstellen zwischen Kühlkörper und Laserdiode, die die Strahlung emittierende PN-Übergangszone und die Stromzuführungsbahnen enthält, eine große Wärmestauung auftritt.

In der älteren Patentanmeldung P 14 64 711.1 ist bereits vorgeschlagen worden, bei eine PN-Übergangszone aufweisenden Halbleiterlasern den Gesamtkörper wesentlich größer auszubilden, als es für die Ausbildung des PN-Übergangs und der Stromzuführungsbereiche notwendig ist. Dadurch soll die Kühlung verbessert werden. Jedoch besteht hierbei der ganze Körper aus gut leitendem Material. Ferner wurde bei diesen Halbleiterlasern vorgeschlagen, metallische Reflexionsschichten auf dem platten- oder bandförmigen Halbleiterkörper von der PN-Übergangszone durch eine isolierende dielektrische Schicht beabstandet anzuordnen. Aus der USA.-Patentschrift 3 059 117 ist es bei einen PN-Übergang aufweisenden Halbleiterlasern bekannt, auf dem Halbleiterkörper metallische Reflexionsflächen für die in der PN-Übergangszone verlaufende Strahlung senkrecht zur Richtung dieser Strahlung anzuordnen. Aus der DT-AS 1 156 506 ist eine steuerbare elektrolumineszente Halbleiterlichtquelle bekannt, bei der der Gesamtkörper mehrere räumlich voneinander getrennte PN-Übergangszonen besitzt, die durch dazwischenliegende eigenleitende oder zumindest relativ hochohmige Bereiche des Gesamtkörpers elektrisch voneinander getrennt sind.

Aus der Zeitschrift »Applied Physics Letters«, VoI. 3, Nr. 8 vom 15. Oktober 1963, S. 127 bis 129, ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlasers mit einem PN-Übergang bekannt, bei der der Halbleiterkörper durch epitaktisches Abscheiden von zumindest relativ hochohmigem Material auf N-dotiertem Halbleitermaterial hergestellt wird und bei dem in dem so hergestellten Gesamtkörper ein Bereich derart dotiert wird, daß ein PN-Übergang mit den dazugehörigen P- bzw. N-Ieitenden Stromzuführungsbahnen in dem Körper entsteht. Aus der Zeitschrift »RCA Review«, Bd. 24, Nr. 4 vom Dezember 1963, S. 603 bis 615 ist es bei der Halbleiterlaserherstellung bekannt, dotiertes Halbleitermaterial auf einem Substrat epitaktisch abzuscheiden.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Laserdiode der eingangs genannten Art eine möglichst intensive Kühlung auf möglichst einfache Art und Weise zu erreichen.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der ein- . gangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kühlkörper und der Halbleiterkörper in einem einzigen Gesamtkörper ausgebildet sind, wobei PN-Übergangszone sowie beide daran angrenzende Stromzuführungsbereiche in einem Teil des Gesamtkörpers angeordnet sind. Weil der eigenleitende oder zumindest elektrisch relativ hochohmige Bereich des Gesamtkörpers zur Wärmeableitung dient, wird erreicht, daß die Wärme ohne Stoßstelle in den Kühlkörper übertreten kann, so daß Wärmestauungen vermieden werden.

In Weiterbildung der Erfindung besteht der Gesamtkörper aus einem einkristallinen Halbleitermaterial.

Insbesondere kann der Gesamtkörper auch mehrere räumlich voneinander getrennte PN-Übergangszonen aufweisen, die durch dazwischenliegende eigenleitende oder zumindest relativ hochohmige Bereiche des Gesamtkörpers elektrisch voneinander getrennt sind. Vorzugsweise sind die PN-Übergangszonen dabei streifenförmig ausgebildet und verlaufen im Gesamtkörper parallel zueinander ausgerichtet und geradlinig.

Weiter kann der Gesamtkörper gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung zwischen zwei Reflexionsanordnungen mehrere, in gerader Linie hintereinander- liegende, durch Material des Körpers elektrisch voneinander getrennte aktive PN-Übergangszonen aufweisen. Die PN-Übergangszonen können zum gleichzeitigen Betrieb elektrisch miteinander verbunden sein. Dabei sind auf den Gesamtkörper elektrische Verbindungen angebracht, durch die zwei oder mehr PN-Übergangszonen elektrisch in Reihe hintereinandergeschaltet oder elektrisch parallel geschaltet werden können.
Weiterhin können die elektrischen Verbindungen so

ίο angeordnet werden, daß mindestens zwei Gruppen elektrisch in Reihe hintereinander geschalteter PN-Übergangszonen elektrisch parallel geschaltet sind.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die elektrischen Verbindungen so anzubringen, daß die elektrisch in Reihe geschalteten PN-Übergangszonen für eine angenommene Stromrichtung abwechselnd in Durchlaß- und in Sperrichtung geschaltet sind.

Insbesondere können zur Herstellung elektrischer Verbindungen gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung weitere Teile des Gesamtkörpers leitfähig gemacht sein.

Auf dem Gesamtkörper sind in Weiterbildung der Erfindung von der PN-Übergangszone beabstandete, metallische Reflexionsflächen für die in der PN-Übergangszone verlaufende Strahlung senkrecht zu der Richtung dieser Strahlung angeordnet.

Der Gesamtkörper kann vorzugsweise platten- oder bandförmig ausgebildet sein.

Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer der Erfindung gemäßen Anordnung wird im folgenden beschrieben.

Ein Körper aus eigenleitendem oder aus — wie oben beschrieben — zumindest hochohmigen Halbleitermaterial, beispielsweise in Form eines etwa 1 mm dünnen Plättchens, wird zur Erzeugung einer PN-Übergangszone, von der einen Oberfläche des Plättchens her in der Fläche eines Streifens N-dotiert und von der entgegengesetzten Seite des Piättchens her in dem gegenüberliegenden Bereich P-dotiert. Die Dotierung muß so weit in das Innere des Piättchens eindringen, daß sich N- und P-Bereich zur Bildung einer PN-Übergangszone berühren. Der N- bzw. P-dotierte Bereich zwischen der Übergangszone und der Oberfläche des Piättchens ist das Gebiet der Stromzuführungsbahnen. Die übrigen Bereiche des Piättchens sind, abgesehen von weiteren unter Umständen auf dem Halbleiterkörper angebrachten elektrischen Leitungsbahnen, gegenüber den dotierten Bereichen gut isolierend, so daß die Ströme tatsächlich durch den einen oder die mehreren PN-Übergänge fließen und in diesen Übergängen Strahlung nach dem Laserprinzip erzeugen.

Die F i g. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung, das beispielsweise nach dem eben beschriebenen Verfahren hergestellt wird. 1 ist das dünne Plättchen aus z. B. eigenleitendem oder hochohmigem Halbleitermaterial. 2,3 und 4 sind die beispielsweise N-leitenden Bereiche, die zusammen mit den entgegengesetzt dotierten Bereichen 8, 9 und 10 jeweils PN-Übergänge eines Streifens bilden. In diesen im wesentlichen in einer Ebene und zwar in der Ebene des Streifens liegenden PN-Übergängen wird, wie bekannt, nach dem Laserprinzip Strahlung erzeugt, die zu einem Teil wenigstens im Bereich der aktiven PN-Übergangszonen zwischen den ebenen, beispielsweise polierten Flächen 21, 22 des Körpers 1 hin und her reflektiert wird und zum anderen Teil als Strahlung 16, 17 durch die Flächen 21, 22 hindurch aus dem Halbleiterkörper 1 austritt. Der dargestellte Ab-

schnitt des Ausführungsbeispiels der F i g. 1 enthält noch einen zweiten, ebenfalls aufgeteilten, z. B. ebenfalls in drei Teile aufgeteilten, PN-Übergangsstreifen. Er wird gebildet durch die dotierten Bereiche 5, 6 und 7 und die dagegen entgegengesetzt dotierten Bereiche 11, 12 und 13, die im wesentlichen den Bereichen 2, 3 und 4 und 8, 9 und 10 entsprechen. Aus diesem zweiten PN-Übergangsstreifen tritt die in diesem Streifen erzeugte Strahlung 18 und 19 aus. Wie bereits oben beschrieben, können die einzelnen Bereiche 2 bis 13 je nach gewünschter Anwendung elektrisch verschieden angeschlossen werden. Wie leicht einzusehen, ist es nicht notwendig, daß beispielsweise 2 und 3 oder etwa 2, 3 und 4 zusammengenommen und 5, 6 und 7 zusammen jeweils gleichartige Dotierung aufweisen. Es können beispielsweise 5, 6 und 7 entgegengesetzt wie 2, 3 und 4 dotiert sein, so daß durch eine elektrische Verbindung 23, 24 und 25 der Bereiche 11, 12, 13 mit 8, 9 und 10 zu einer Hintereinanderschaltung der PN-Übergänge führt, wenn die Stromquelle 26, wie bei der speziellen Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels der F i g. 1 mit einem Anschluß 27 an 5, 6 und 7 und mit dem anderen Anschluß 28 an 2, 3 und 4 angeschlossen ist. Die Polung der Stromquelle 26 ist für einen Halbleiterkörper aus beispielsweise Galliumarsenid (GaAs) zweckmäßigerweise so zu wählen, daß die Dioden in Flußrichtung angeschlossen sind. In der speziellen Schaltung der F i g. 1 sind bei Galliumarsenid (GaAs) etwa 6 Volt zur Speisung der hintereinandergeschalteten Diodenstrecken notwendig.

Ein anderes, ebenfalls sehr vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung stellt F i g. 2 dar.

Auf einem bei diesem Beispiel, bereits dotierten vorzugsweise einkristallinen Halbleiterplättchen 41 wird eigenleitendes oder zumindest relativ hochohmiges Halbleitermaterial derart epitaktisch abgeschieden, daß die Schicht 42 auf 41 entsteht. Bestimmte Bereiche von 42 werden in an sich bekannter Weise derart dotiert, daß z. B. an der Grenze 41, 42 PN-Übergänge entstehen. Die dotierten Bereiche 44 können beispielsweise so angeordnet sein wie 2, 3 und 4 in F i g. 1, können aber auch beispielsweise durchgehende Streifen, wie in F i g. 2 dargestellt, bilden. Entsprechend 44 können auch weitere Bereiche, wie etwa 45, zur Herstellung eines PN-Übergangs dotiert werden. Auf diese Weise kann eine Anordnung hergestellt werden. Bei der ebenfalls nur ein Teil des gesamten Körpers von der PN-Übergangszone und von den Stromzuführungsbahnen eingenommen wird. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, daß man einen Halbleiterkörper erhält, in dem die einzelnen PN-Übergänge besonders gut in einer Ebene liegen, wenn nur das Plättchen 41 auf der Fläche, auf der die epitaktische Abscheidung vorgenommen wurde, genügend sorgfältig bearbeitet worden war und auch die Dotierung sogfältig durchgeführt wird.

Die ebene Ausbildung des PN-Übergangs ist günstig für das Auftreten des Lasereffekts in der Übergangsschicht. An Stelle der Abscheidung von z. B. eigenleitendem Halbleitermaterial auf einem dotierten Plattchen kann man umgekehrt auch dotiertes Halbleitermaterial auf einem z. B. eigenleitenden Plättchen epitaktisch abscheiden. In diesem Falle werden die einzelnen Bereiche 44, 45 durch Dotierung des Grundplättchens hergestellt. Wesentlich ist für die erfindungsgemäße Anordnung, daß die PN-Übergangszonen im Innern des Halbleiterkörpers nicht die gesamte Grenzschicht zwischen 41 und 42 ausmachen, d. h. daß ein wesentlicher Teil des Halbleiterkörpers, bestehend aus 41 und 42, Wärme aus den stromführenden Bereichen abführen kann, ohne daß in ihm selbst Strom fließt. Der Vollständigkeit halber ist in der F i g. 2 eine spezielle Ausführungsform des elektrischen Anschlusses dargestellt. 44 und 45 sind durch eine elektrisch leitende Verbindung 46 miteinander verbunden. Durch die Zuführungsleitung 47 und 48 sind die an die PN-Übergänge angrenzenden Bereiche 44 und 45 einerseits und 41 andererseits mit der Stromquelle 49 verbunden.

Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt F i g. 3, bei der sich in einem Halbleiterkörper 61 eine eigenleitende oder zumindest relativ hochohmige Schicht 62 befindet. Der Halbleiterkörper besteht des weiteren aus den entgegengesetzt dotierten Bereichen 63 und 64, zwischen denen sich 62 befindet. Durch entsprechende Dotierung, etwa wie bei den Beispielen der F i g. 1 und 2, werden stellenweise in der Schicht 62 PN-Übergangszonen erzeugt, wie sie durch 65 und 66 angedeutet sind. Zum elektrischen Anschluß der PN-Übergangszonen dienen die Zuführungen 67,68, die mit der Stromquelle 49 verbunden sind. Der Halbleiterkörper 61 kann beispielsweise auch durch epitaktisches Abscheiden der Schichten 62,63 und 64 hergestellt werden, wobei die Streifen 65 und 66 zweckmäßigerweise gleich bei der Herstellung des Körpers in entsprechender Weise dotiert werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich insbesondere auch zu einer außerordentlich verlustarmen Halbleiter-Laseranordnung ausbilden, wie dies durch die Fig.4, durch eine Seitenansicht, im Prinzip näher erläutert wird. Bei den bekannten Anordnungen war bisher beispielsweise praktisch ausgeschlossen, die als Reflexionsflächen wirkenden polierten Endflächen des Halbleiterkörpers, wie sie z. B. oben beschrieben wurden, durch Metallspiegel zu ersetzen. Die Ursache hierfür liegt darin, daß ein metallischer Spiegel, senkrecht zur Flächenausdehnung des PN-Überganges ausgerichtet, diesen PN-Übergang elektrisch kurzschließen würde. Die Metallspiegel haben aber gegenüber den polierten Endflächen des Halbleiterkörpers wesentlich höheres Reflexionsvermögen, wodurch die Verluste einer wie bisher ausgeführten Halbleiter-Laseranordnung wesentlich verringert werden können.

In Fig.3 ist 71 ein Halbleiterkörper.72 und 73 sind N- bzw. P-dotierte Gebiete, die den streifenförmigen, hier von der Seite dargestellten PN-Übergang 74 bilden. 75 und 76 sind metallische Reflexionsflächen, die auf den polierten Endflächen von 71 angebracht sind.

75 und 76 sind parallel zueinander ausgerichtet, so daß die in der Ebene des Streifens 74 verlaufende Strahlung 77 von 75 und 76 in sich zurückgeworfen wird. 75 und

76 bilden auf diese Weise den für die Strahlungserzeugung nach dem Laserprinzip notwendigen Resonator. Wie aus dem speziellen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zu sehen ist, ist ein Kurzschluß zwischen den P- und N-Gebieten 72 und 73 durch die metallischen Reflexionsflächen 75, 76 ausgeschlossen. 78 und 79 sind Stromzuführungsleitungen. 80 und 81 sollen den Anteil der Strahlung der in dem Resonator verlaufenden Strahlung 77 darstellen, der durch die Reflexionsflächen hindurch aus dem Körper austritt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Erzeugung und/oder Verstärkung elektromagnetischer Strahlung nach dem Laserprinzip mit einer in einem Halbleiterkörper befindlichen aktiven PN-Übergangszone sowie daran angrenzenden P- bzw. N-leitenden Stromzuführungsbereichen, die in wärmeleitendem Kontakt mit einem zur Wärmeableitung dienenden Kühlkörper stehen, der gleiches, jedoch eigenleitendes oder zumindest elektrisch relativ hochohmiges Halbleitermaterial wie der Halbleiterkörper enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper und der Halbleiterkörper in einem einzigen Gesamtkörper ausgebildet sind, wobei die PN-Übergangszone sowie beide daran angrenzende Stromzuführungsbereiche in einem Teil des Gesamtkörpers angeordnet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtkörper aus einem einkristallinen Halbleitermaterial besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtkörper (1; 41; 61) mehrere räumlich voneinander getrennte PN-Übergangszonen aufweist, die durch dazwischenliegende eigenleitende oder zumindest relativ hochohmige Bereiche des Gesamtkörpers elektrisch voneinander getrennt sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die PN-Obergangszonen streifenförmig ausgebildet sind und in dem Gesamtkörper parallel zueinander ausgerichtet und geradlinig verlaufen.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtkörper zwischen zwei Reflexionsanordnungen mehrere, in gerader Linie hintereinanderliegende, elektrisch voneinander getrennte aktive PN-Übergangszonen aufweisen.

6. Anordnung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die PN-Übergangszonen zum gleichzeitigen Betrieb elektrisch miteinander verbunden sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Gesamtkörper elektrische Verbindungen angebracht sind, durch die zwei oder mehr PN-Übergangszonen elektrisch in Reihe hintereinandergeschaltet sind.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Gesamtkörper elektrische Verbindungen angebracht sind, durch die zwei oder mehr PN-Übergangszonen elektrisch parallel geschaltet sind.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbindungen so angeordnet sind, daß mindestens zwei Gruppen elektrisch in Reihe hintereinander geschalteter PN-Übergangszonen elektrisch parallel geschaltet sind.

10. Anordnung nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Gesamtkörper elektrische Verbindungen so angebracht sind, daß die elektrisch in Reihe geschalteten PN-Übergangszonen für eine angenommene Stromrichtung abwechselnd in Durchlaß- und in Sperrichtung geschaltet sind.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung elektrischer Verbindungen weitere Teile des Gesamtkörpers leitfähig gemacht sind.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Gesamtkörper von der PN-Übergangszone beabstandete, metallische Reflexionsflächen für die in der PN-Übergangszone verlaufende Strahlung senkrecht zu der Richtung dieser Strahlung angeordnet sind.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis

12, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtkörper platten- oder bandförmig ausgebildet ist.