DE1489253B2 - Optischer Sender mit einem entartet dotierten Halbleiter als stimulierbarem Medium - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sender mit einem entartet dotierten Halbleiter als stimulierbarem Medium und als Rekombinationsbereich für Löcher und Elektronen zur Auslösung stimulierter Strahlung innerhalb eines optischen Resonators.

Bei derartigen optischen Sendern muß eine Sperrschicht vorhanden sein, die den Halbleiterbereich, der als Rekombinationsbereich dient, von einem anderen Bereich trennt, aus dem die zur Rekombination benötigten Ladungsträger injiziert werden. Bekannte optische Sender dieser Art weisen daher p- und η-Schichten auf, die einander berühren und an ihrem Übergang eine Sperrschicht bilden. Durch Anlegen einer Vorspannung an den Übergang werden bei diesen bekannten optischen Sendern Loch-Elektronen-Paare im Übergangsbereich zwischen diesen Schichten und in der näheren Umgebung des Übergangsbereiches gebildet. Diese Elektronen und Löcher vereinigen sich danach wieder und erzeugen eine entsprechende Emission von Photonen einer charakteristischen Wellenlänge.

Eines der Probleme, das Anordnungen mit einem p-n-Ubergang aufwerfen, ist der hohe Verlust, der in den neutralen p- und η-Bereichen auftritt, die den Übergangsbereich umgeben. Es ist bekannt, daß insbesondere im η-Material eine hohe Photonenabsorption stattfindet, und es wird angenommen, daß diese Absorption einen großen Teil des Verlustes der Anordnung verursacht. Zusätzliche Verluste treten auch im p-Material auf.

Weiterhin ist es auch bekannt, den CdS mittels Filmdurchtunnelung eine Injektionslumineszenz hervorzurufen, indem zwischen dem Halbleiter und mindestens einem metallischen Bereich, der als Quelle für in den Rekombinationsbereich zu injizierende Ladungsträger dient, eine Sperrschicht einzuschalten, die von einer Aluminiumoxidschichtgebildetwird.Zum Injizieren der Ladungsträger wird zwischen den metallischen Bereich und den Halbleiter eine Vor-Spannung solcher Größe angelegt, daß die Ladungsträger die Sperrschicht durchtunneln.

Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Ausbildung der Sperrschicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) sehr kritisch ist und besondere Arbeitsgänge erfordert. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch diese Nachteile zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das stimulierbare Halbleitermedium in einem einzigen Leitfähigkeitstyp vorliegt und mindestens ein als Flächenelektrode dienender metallischer Bereich in unmittelbarem Kontakt mit dem Halbleitermedium steht und die Sperrschicht zwischen den beiden Bereichen dadurch gebildet wird, daß die Elektronenaffinität des Halbleitermediums größer oder kleiner ist als die Austrittsarbeit der metallischen Flächenelektrode.

Es ist ersichtlich, daß nach der Erfindung ein optischer Sender mit einem entartet dotierten Halbleiter als stimulierbares Medium geschaffen wird, der sich durch einen extrem einfachen Aufbau auszeichnet und sehr leicht hergestellt werden kann, weil bei der Herstellung der kritischen Sperrschicht keinerlei besondere Maßnahmen getroffen zu werden brauchen. Es genügt vielmehr das Aufbringen einer ohnehin benötigten Elektrode aus einem speziell ausgewählten Werkstoff, um die benötigte Sperrschicht zu erzeugen. Zugleich hat ein solcher optischer Sender einen guten Wirkungsgrad, weil die Verluste, wie sie an durch p-n-Übergänge gebildete Sperrschichten entstehen, bei dem erfindungsgemäßen optischen Sender nicht auftreten.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf einen optischen Sender nach der Erfindung mit einem an das Halbleitermedium angrenzenden metallischen Bereich, dessen Austrittsarbeit größer ist als die Elektronenaffinität des Halbleitermediums,

Fig. 2 eine bildliche Darstellung der Ferminiveaus und des Energiebandes der Anordnung nach F i g. 1 ohne angelegte Spannung,

Fig. 3 eine bildliche Darstellung der Ferminiveaus und des Energiebandes der Anordnung nach F i g. 1 nach Anlegen einer Spannung,

F i g. 4 eine Draufsicht auf einen optischen Sender nach der Erfindung mit einem an das Halbleitermedium angrenzenden metallischen Bereich, dessen Austrittsarbeit geringer ist als die Elektronenaffinität des Halbleitermediums,

F i g. 5 eine bildliche Darstellung der Ferminiveaus und des Energiebandes der Anordnung nach F i g. 4 ohne angelegte Spannung und

Fig. 6 eine bildliehe Darstellung der Ferminiveaus und des Energiebandes der Anordnung nach Fig. 4 nach Anlegen einer Spannung.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 handelt es sich um einen optischen Sender 60 nach der Erfindung, der ein entartet p-dotiertes Halbleitermedium 61 in Form eines Quaders aufweist, der an zwei parallelen Flächen mit als Flächenelektroden dienenden Metallbereichen 62 und 63 bedeckt ist. Das entartet p-dotierte Halbleitermedium besteht vorzugsweise aus Galliumarsenid, während die Metallbereiche 62 und 63 vorzugsweise aus Aluminium bestehen. Zwei vielschichtige dielektrische Anordnungen 64 und 65 bedecken zwei dazu senkrechte Flächen des Halbleitermediums 61. Eine Vorspannung wird dieser Anordnung mit Hilfe einer Spannungsquelle 69 zugeführt, die galvanisch mit dem Medium 61 im Punkt 70 und ebenfalls galvanisch mit den metallischen Bereichen 62 und 63 durch Kontakte 67 und 68 verbunden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Elektronenaffinität des Halbleiters geringer als die Austrittsarbeit des Metalls, so daß die Grenzflächen 71 und 72 zwischen dem Halbleitermedium 61 und den metallischen Bereichen 62 und 63 Sperrschichten bilden. Die Affinität eines Halbleiters ist die Energiedifferenz zwischen dem Valenzniveau und der unteren Grenze des Leitungsbandes im Halbleiter.

F i g. 2 zeigt das Energiediagramm für die AIuminium-Galliumarsenid-Grenzfläche der Anordnung nach F i g. 1 bei Fehlen einer Vorspannung. Die Sperrschicht hat eine Höhe von etwa 0,6 eV. Weiterhin ist wegen der entarteten Dotierung die Breite der Sperrschicht so gering, daß schon bei Anlegen geringer Vorspannungen ein beträchtliches Durchtunneln der Sperrschicht stattfinden kann. F i g. 3 veranschaulicht die Situation bei Anlegen einer positiven Vorspannung mit Hilfe der Spannungsquelle 69, die die Injektion von Elektronen in das Leitungsband des Galliumarsenids durch quantenmechanisches Durchtunneln ermöglicht. In beiden Diagrammen stellen F_Al und F_GaAs die Ferminiveaus für Alu-

minium und Galliumarsenid dar. Die Theorie der Wirkungsweisen ist die folgende. In das Halbleitermedium 61 werden von den metallischen Bereichen 62 und 63 her Elektronen injiziert, indem ein quantenmechanisches Durchtunneln der Sperrschichten 71 und 72 stattfindet. Die Tunnelelektronen gelangen in das entartet dotierte Halbleitermediüm und besetzen sein Leitungsband. Diese Elektronen führen zu einer Besetzungsinversion. Diese Besetzungsinversion gibt Anlaß zu einer Löcher-Elektronen-Rekombination und einer anschließenden Erzeugung von Photonen infraroter Energie bei Wellenlängen von etwa 9000 Angström. Da von den reflektierenden Enden und den Grenzflächen zu den metallischen Bereichen 62 und 63 und den dielektrischen Schichten 64 und 65 ein Resonator gebildet wird, wird ein Schwingungsmodus in Längsrichtung des entartet dotierten Galliumarsenidbereiches erzeugt. Nach einer gewissen Zeit hat sich kohärente Lichtenergie in genügendem Maße aufgebaut, die durch die Verstärkung mit Hilfe der reflektierenden Oberflächen erzeugt worden ist. Es wird dann von einer der Endflächen des Halbleitermediums 61, die zu diesem Zweck in geringem Maße weniger reflektierend ist als die andere Endfläche, kohärente Lichtenergie abgestrahlt. Eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung hebt das Ferminiveau des Aluminiums und krümmt die Galliumarsenid-Energiebänder nach oben, wie es F i g. 3 zeigt, wodurch die Injektion von Elektronen aus dem Aluminium in das Galliumarsenid möglich ist.

In F i g. 4 ist eine ähnliche Anordnung offenbart wie in Fig. 1. Das reflektierende Metall, das in direkter Berührung mit dem entartet dotierten Bereich steht, ist hier jedoch so gewählt, daß seine Austrittsarbeit geringer ist als die Affinität des Halbleiters. Dies ermöglicht es, daß die Elektronen unmittelbar in den Halbleiter injiziert werden, ohne daß sie eine Grenzschicht durchtunneln müssen. Die Anordnung 80 nach F i g. 4 weist einen entartet p-dotierten Galliumarsenidbereich auf, der auf zwei einander gegenüberliegenden Flächen mit reflektierenden Magnesiumbereichen 82 und 83 belegt ist. Die reflektierenden Bereiche und der entartet dotierte Bereich sind von zwei vielschichtigen dielektrischen Bereichen 84 und 85 bedeckt. Eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung wird von einer Spannungsquelle 86 geliefert, die galvanisch mit dem Bereich 81 im Punkt 87 und am negativen Pol mit den Bereichen 82 und 83 an den Kontaktstellen 89 und 88 verbunden ist. Andere Metalle, die an die Stelle des Magnesiums treten können und die eine genügend kleine Austrittsarbeit und ein gutes Reflexionsvermögen haben, sind Beryllium, Gallium und Thorium.

F i g. 5 zeigt die Energieverhältnisse an der Grenzfläche zwischen Magnesium und Galliumarsenid bei Fehlen einer Vorspannung, wogegen F i g. 6 die Energieverhältnisse an dieser Grenzfläche nach Anlegen der Vorspannung zeigt. F i g. 6 macht deutlich, daß die Elektronen unmittelbar in das Leitungsband des entartet dotierten Galliumarsenidbereiches injiziert werden und, indem sie eine Besetzungsinversion bewirken, die Emission einer kohärenten infraroten Strahlung anregen.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Anordnungen nach den Fig. 1 und 4 von parallelen, verspiegelten Oberflächen nach Fabry—Perot Gebrauch machen, um die gewünschte Rückkopplung zu erzielen.

Obwohl keine speziellen Temperaturen im Hinblick auf die Funktion der erfindungsgemäßen Anordnungen gefordert werden und eine kohärente Strahlung bei 300 ⁰K, also im wesentlichen bei Raumtemperatur, erzielbar ist, wird allgemein eine beträchtlich bessere Funktion solcher optischen Halbleitersender bei Temperaturen von etwa 77 ⁰K erzielbar sein.

Wenngleich die als Ausführungsbeispiele beschriebenen Anordnungen nach der Erfindung von entartet p-dotiertem Material Gebrauch machen, ist es ohne weiteres verständlich, daß die hier offenbarten Vorrichtungen auch aus einem entartet η-dotierten Material hergestellt werden könnten, beispielsweise aus Galliumarsenid, das mit einer η-Verunreinigung dotiert ist, beispielsweise mit Phosphor, Arsen oder Antimon. Ebenso können Löcher von einer geeigneten Lochquelle quantenmechanisch in einen entartet η-dotierten Bereich getunnelt werden, beispielsweise aus einem Metall der V. Gruppe des Periodischen Systems der chemischen Elemente, wie Kobalt oder Tantal, oder aus geeigneten Metallen der VI. Gruppe, wie Chrom, Molybdän und Wolfram.

Es ist erkennbar, daß die beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele nur zur Veranschaulichung der allgemeinen Grundzüge der Erfindung dienen und daß vielfältige Abwandlungen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So kann beispielsweise bei einem optischen Sender nach der Erfindung der entartet dotierte Bereich von einem zentralen Zylinder gebildet werden, auf den ein äußerer Zylinder aus einem metallischen Werkstoff aufgebracht ist. Weiterhin sind Anordnungen möglich, bei denen nur an einer Seite des Halbleitermediums ein metallischer Bereich vorgesehen ist.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Optischer Sender mit einem entartet dotierten Halbleiter als stimulierbarem Medium und als Rekombinationsbereich für Löcher und Elektronen zur Auslösung stimulierter Strahlung innerhalb eines optischen Resonators, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Halbleitermedium (61) in einem einzigen Leitfähigkeitstyp vorliegt und mindestens ein als Flächenelektrode dienender metallischer Bereich (62, 63) in unmittelbarem Kontakt mit dem Halbleitermedium (61) steht und die Sperrschicht zwischen den beiden Bereichen dadurch gebildet wird, daß die Elektronenaffinität des Halbleitermediums größer oder kleiner ist als die Austrittsarbeit der metallischen Flächenelektrode.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen