DE2120464A1

DE2120464A1 - Lichtemittierende HeteroStruktur-Diode

Info

Publication number: DE2120464A1
Application number: DE19712120464
Authority: DE
Inventors: Izuo Berkeley Heights N.J. Hayashi (V.StA.). P
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-05-01
Filing date: 1971-04-27
Publication date: 1971-11-18
Also published as: CH527543A; NL160436B; BE766335A; FR2091009A5; DE2120464B2; GB1342767A; US3758875A; NL7105613A; US3801928A; NL160436C

Description

WESTERN ELECTRICH COMPANY Hayashi, 1-4

Incorporated
New York (N. Y.) 10007 V. St. A.

Lichtemittierende Heterostruktur-Diode

Die Erfindung bezieht sich auf lichtemittierende Heterostruktur-Dioden einschließlich Halbleiterinjektionlaser und elektrolumineszente Dioden.

1 962 berichteten R. N. Hall et al in Physical Review Letters 9, 366, über ihre Beobachtung einer Emission von kohärentem Licht, das durch Elektronen/Löcher-Rekombination in GaAs-pn-Übergängen. Üblicherweise werden GaAs-Laser hergestellt durch eindiffundieren vin Zink in η-leitende GaAs-Plättchen mit Donator-

IQ O

konzentrationen in der Größenordnung 10 /cm . Bezüglich struktureller Einzelheiten siehe Masers and Lasers, Thorp, J. S., Kapitel 10, St. Martin's Press, New York (1967). Injektionslaser sind auch mit anderen Halbleitern, z. B. InP, InAs und InSb,hergestellt worden . Alle diese Laser sind jedoch von einer einzigen Halbleitermaterial-Art hergestellt worden, bei dem die Bandlücken auf beiden Seiten pn-Übergangs gleich sind. Der eine Halbleiter ist dabei üblicherweise einkristallin (US-Patent 3 245 002). Bei dem Halbleiterübergangs-Laser rührt die kohärente Strahlung von Elektronenübergängen zwischen breiten Energiebändern, d. h.

109847/1232

zwischen den Leitungs- und Valenzbändern, her. Diese Übergänge, und insbesondere die GaAs-Übergänge werden hauptsächlich durch die Injektion von Elektronen in die p-Seite des Übergangs infolge einer direkten Zufuhr eines elektrischen Stroms angeregt. Der Injektionsprozeß erzeugt eine Umkehr der Besetzungsverteilung zwischen einem Elektronenenergieniveaupaar, wenn die Anregung mit genügend hoher Geschwindigkeit und mit genügend hoher Leistung erfolgt. Bei Halbleiter-Laser kann diese Schwellenwert-

8 9 3 5 2

leistung bis zu 10 zu 10 Watt/cm (oder 10 Watt/cm ) bei.

Zimmertemperatur hoch sein, während hierzu im Vergleich bei Gas- oder Kristall-Laser die erforderliche Anregungsleistung

üblicherweise im Bereich von 1 bis 1000 Watt/cm liegt. Offensichtlich können diese enorm großen Energieanforderungen solcher Halbleiter-Laser bei Zimmertemperatur nicht sehr lang ohne Beschädigung des Halbleiters aufrechterhalten werden.

Es ist jedoch bekannt, daß die Schwellenwertleistung (oder äquivalent hierzu die Stromdichte) in den meisten bekannten Vorrichtungen etwa proportional zur dritten Potenz der absoluten Temperatur - jedenfalls in der Gegend der Zimmertemperatur ist. Folglich werden Halbleiter-Laser generell bei tiefen Temperaturen leichter betrieben. Beispielsweise sind GaAs-Laser bei Temperaturen des flüssigen Stickstoffs (77 K) mit einer Schwellen-

109847/123 2 original inspected

Wertleistung von etwa 1000 Amp/cm betrieben worden. Der bis heute bei der höchsten Temperatur berichtete Dauerstrichbetrieb ist erreicht worden von J. C. Dyment und L. A. D'Asaro et al bei 200° K (Applied Physics Letters 11, 292 (1967).

Die Erfindung liegt nun in einer lichtemittierenden Hetero struktur-Diode in mehrschichtigem Aufbau mit einem HeteroÜbergang mit beiderseits gleichem Leitungstyp und einem hiervon in einem Abstand gelegenen pn-Übergang, der kleiner ist als die Diffusionsweglänge der Minoritätsladungsträger ist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung, die als Einfach-Heterostruktur-Diode (SH-Diode) bezeichnet sein soll, ist ein solcher HeteroÜbergang vorgesehen, der Zonen schmaler bzw. breiter Bandlücken desselben Leitungstyps trennt, und ein pn-übergang in Form eines pn-Homoübergangs vorgesehen, wodurch eine Zwischenzone zwischen dem Homoübergang und dem HeteroÜbergang definiert wird. Im einen Falle ist dabei der pn-übergang durch die Eindiffusion von Dotierstoffen in die Zone schmaler Energiebandlücke erzeugt. Bei ein anderen Ausführungsform, die als Doppel-Heterostruktur-Diode (DH-Diode) bezeichnet sein soll, ist ein zweiter HeteroÜbergang auf der dem ersten HeteroÜbergang abgewandten Seite des pn-Übergangs vorgesehen,· wodurch eine Zwischenzone zwischen den beiden HeteroÜbergängen definiert wird. Alternativ kann der zweite Heteroüber-

109847/1232

gang mit dem pn-übergang zusammenfallen, wodurch ein pn-Heteroübergang entsteht.

Der Ausdruck "HeteroÜbergang¹¹ ist hier definiert als die Grenzfläche zwischen aufeinanderfolgenden Schichten mit unterschiedlichen Energiebandlücken und ist weiterhin je nach dem Leitungstyp der Majoritätsladungsträger auf jeder Seite der Grenzfläche definiert als p-p,· n-n oder p-n (oder n-p). Die p-p- und n-n-Heteroübergänge sind nachstehend als HeteroÜbergänge mit beiderseits gleichem Leitungstypus bezeichnet. Darüber hinaus soll unter der Bezeichnung p-n-Übergang sowohl ein pn-Heteroübergang als auch ein pn-Homoübergang verstanden sein. Beim HomoÜbergang sind die Energiebandlücken auf beiden Seiten des Überganges gleich.

Bei Zuordnung eines geeigneten optischen Resonators und bei Vorspannung in Durchlaßrichtung zeigen sowohl die SH-als auch die DH-Dioden stimmulierte Emission bei niedrigeren Schwellenwerten und höheren Temperaturen als dieses bisher möglich war. Hierbei findet eine strahlende Rekombination zwischen den Leitungs- und Valenzbändern statt. Es wird dabei angenommen,, daß dieses hauptsächlich von einem elektrischen Einschnürungseffekt herrührt,· der von einer Energiestufe in der Bandstruktur erzeugt wird und die injizierten Minoritätsladungsträger auf die Zwischen-

10 9 8 4 7/1232

Ai

zone einschränkt. Um Vorteil aus dieser Einschnürung zu ziehen,-ist es wesentlich,-daß die Dicke der Zwischenzone (die, wie oben definiert,· der Abstand zwischen betroffenen Übergängen ist) kleiner ist als die Diffusionsweglänge der Minoritätsladungsträger. Wenn die Dicke der Doppelheterostruktur reduziert wird,· nimmt die Einschnürung zu und der Schwellenwert fällt bis auf einen Punkt ab,- wo ein Einsetzen einer Löcherinjektion (aus der Zwischenzone heraus) auftritt. Danach nimmt der Schwellenwert wieder zu. Die Löcherinjektion kann dadurch reduziert werden, - daß die Bandlücke der dem pn-übergang benachbarten Zone größer gemacht wird als die der Zwischenzone. Bei der SH-Diode kann dieses bewerkstelligt werden durch geeignetes Dotieren. Bei der DH-Diode wird dieses jedoch wirksam bewerkstelligt durch Herste!·len der Diode als dreischichtiger Aufbau,-bei dem die Zwischenschicht mit kleiner Energiebandlücke (z. B. p-Al Ga _ As) zwischen zwei Schichten mit größerer Energiebandlücke (z.B. η-Al Ga As,-P-Al₁ Ga As,mit y <x und y <Tz)gelegen ist. Ist beispielsweise y »0 so'besteht die Zwischenzone aus p-GaAs.

Die DH-Diode enthält deshalb allgemein einen η-n-HeteroÜbergang,· einen n-p~Homoübergang und p-p-Heteroübergang,. wobei die ersten beiden Übergänge in einem Abstand d auseinanderliegen,-

Ct

der kleiner ist als die Diffusionsweglänge der Löeher D-,,- während

JtI

10984 7/1232

die zweiten beiden Übergänge um einen Abstand d voneinander getrennt sind, - derkleiner ist als die Diffusionsweglänge der Elektronen. Darüber hinaus sollte der Abstand der beiden HeteroÜbergänge (d.h. die Dicke t der Zwischenzone) größer sein als etwa eine halbe Wellenlänge der Strahlung,- gemessen in der Zwischenzone (z. B. ^X= 0,-25 um GaAs). Das heißt, die folgenden Beziehungen sollten erfüllt sein:

d₂ Υ D_H (2)

Es sei bemerkt,- daß der pn-Übergang mit jedem der beiden HeteroÜbergänge zusammenfallen kann. Wenn der n-n-Hetero übergang und der n-p-Homoübergang zur Bildung eines n-p-Heteroüberganges zusammenfallen, - dann gilt

In ähnlicherweise gilt,- wenn der p-p-Heteroübergang und der n-p-Homoübergang zur Bildung eines n-p-Heteroüberganges zusammenfallen,·

>./2<t-<D_Ii. OfilGJNAL INSPECTED

109847/1232

Die Gl. (1) und (2), die die maximale Dicke der Zwischenzone begrenzen,- rühren von dem Umstand her,- daß zum Ermöglichen einer existierenden Ladungsträgereinschnürung die Ladungsträger in der Lage sein müssen,- den HeteroÜbergang zu erreichen, um dort von dem durch die .'E nergiestufe in der Bandstruktur erzeugten elektrischen Feld wieder abgestoßen zu werden. Andererseits ist die Bedingung (3),-welche die Minimaldicke der Zwischenzone beschränkt,- etwas komplizierter -und steht mit der Größe des optischen Leckfeldes (d. d. das Feld außerhalb der als Wellenleiter wirkenden Zwischenzone) in Zusammenhang,· das noch toleriert werden kann. Ein übermäßiger Leckbetrag erhöht die optischen Absorptions Verluste und verringert die Kopplung zwischen der Strahlung und Rekombination (d.h. die stimulierte Emission nimmt ab),-beides Umstände,· die. den Schwellenwert der stimulierten Emission erhöhen. Berechnungen,- die auf der Arbeit von D. F. Nelson et al in Journal of Applied Physics,- 38,-4057 (1967) beruhen, zeigen,- daß die halbe Wellenlänge die ungefähre untere Grenze setzt. In die GaAs und Mischkristallen hiervon ist

Eine zusätzliche Verringerung des Schwellenwertes für stimulierte Emission fällt auf, wenn (energetisch) Tiefe des Teerstoffniveaus oder tiefe Bandausläufer in der Nähe des Valzenzbandes in der

109847/12:'?

Zwischenzone (auf einer oder beiden Seiten des pn-Übergangs) vorgesehen sind, wobei dann stimulierte Emission erhalten wird durch eine Elektronen-Löcher-Rekombination zwischen dem Leitungsband und den tiefen Energieniveaus. Eine noch weitere Verbesserung im Temperaturkoeffizient des Schwellenwertes kann erreicht werden durch Vorsehen tiefer Bandausläufer in der Nähe des Leitungsbandes zusätzlich zu den tiefen Energieniveaus, * die in der Nähe des Valenzbandes vorgesehen sind. Bei einem

Ausführungsbeispiel sind das verwendete Halbleiterschichtenpaar GaAs und ein Mischkristal aus p-Al Ga, As oder p-GaAs, P ^ ^x 1-x 1-x y.

wobei die Bandlücke in dem Mischkristall die größere ist.

Ohne optischen Resonator sind sowohl die S&- als auch die DH-Diode bei Vorspannung in Durchlaßrichtung als elektrolumineszente Dioden wirksam, bei denen inkohärente Strahlung von der " Zwischenzone durch die Zone breiter Energiebandlücke hindurch

emittiert wird., wodurch niedrigere Absorptionsverluste und ein hoher Wirkungsgrad resultieren. Domartige Gestaltung der Zone breiter Energiebandlücke erhöht weiter den Wirkungsgrad durch Verringerung der Reflexionsverluste an der Grenzfläche zwischen der Zone breiter Energiebandlücke und der Außenatmosphäre.

Die Erfindung ist im einzelnen in den Ansprüchen gekennzeichnet,

109847/12:; 2

und nachstehend anhand der Zeichnung erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eikner erfindungsgemäßen Ausführung eines Lasers,

Fig. 2A das Energiebandschema für einen Laser unter

Vorspannung in Durchlaßrichtung entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 2B das Energiebandschema für einen Laser unter Vorspannung in Durchlaßrichtung mit energetisch tiefen Zuständen entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3A und 3 B je ein Diagramm der Energie, aufgetragen über der Zu standsdichte bei tiefen bzw. hohen Temperaturen für übliche Laser-Anordnungen,

Fig. 3 C ein Diagramm der Energie, aufgetragen über der Zustandsdichte, in der Zwischenzone, die als p-leitend angenommen ist, bei hohen Temperaturen in einer Laser-Heterostruktur mit einem Einschnürungseffekt entsprechend der Erfindung,

Fig. 4A ein Diagramm der Energie, aufgetragen über der Zustandsdichte bei hohen Temperaturen, das die relative Lage der energetisch tiefen Dotier stoffzustände in der Nähe des Leitungsbandes entsprechend einer erfindungsgemäßen AusfOhrungsform zeigt,

109847/1232

IO

Fig. 4B ein Diagramm der Energie, aufgetragen über der Zu standsdichte,- bei hohen Temperaturen, das die relative Lage der energetisch tiefen Akzeptorzustände in der Nähe des Valenzbandes entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt,

Fig. 4C ein Diagramm der Energie, aufgetragen über

der Zustandsdichte, bei hohen Temperaturen, das die relative Lage von tiefen Bandausläufern entsprechend einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt,

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer elektrolumineszenten Diode entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 6A und 6B schematische Ansichten, die die relativen Lagen des HomoÜberganges und der HeteroÜbergänge entsprechend zweier Ausführungsformen der Erfindung zeigen.

Nachstehend sind als erstes Aufbau, Theorie und Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Heterostruktur-Laserdioden erläutert. Die Beschreibung einer erfindungsgemäßen elektrolumineszenten Diode schließt sich danach an.

109847/1232

Einfach-Hetero struktur-Diode

.Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen Halbleiterinjektionslaser 10 mit Einfach-Heterostruktur, der Schichten 12 und 14 mit breiter bzw. schmaler Energiebandlücke aufweist, welche aus auf einer Wärmesenke 16 angeordneten unterschiedlichen Halbleitermaterialien hergestellt sind. Eine Stromquelle 18 ist an die Anordnung über die Elektroden 20 und 22 angeschlossen, welche auf die Oberseite der Schicht 12 und zwischen der Wärmesenke 16 und der Schicht 14 niedergeschlagen sind. Eine Zwischenzone 24 ist als die Zone zwischen dem p-p-Heteroübergang 23 und dem p-n-Homoübergang 25 definiert, wobei der letztere in der Schicht 14 schmaler Energiebandlücke gelegen ist. Wenn die Vorrichtung in Durchlaßrichtung vorgespannt und von der Quelle 18 angeregt wird, emittiert sie kohärente Strahlung 26 in der Ebene der Zone 24. Die beiden Stirnflächen 28 und 30 die senkrecht zur Ebene der Zwischenzone 24 stehen, sind auf innerhalb einige wenige Wellenlängen der kohärenten Strahlung planparallel geschliffen und poliert,· um einen optischen Resonator zu bilden. Das andere, zur Ebene der Zone 24 senkrechte Flächenpaar 32, 34 ist häufig aufgerauht. Eine reflektierende Beschichtung auf den polierten Flächen 28,30, oder eine Anordnung mit vier polierten Seiten kann zur Erhöhung der Gütezahl Q des

109847/1232

2:20464

optischen Resonators benutzt werden.

Wie erläutert, - liegt ein Merkmal der Erfindung darin, daß der Injektionslaser einen neuartigen, - zu einem Einschnürungseffekt führenden Diodenaufbau besitzt, dessen Zweck nachstehend erläutert wird. Die SH-Diode umfaßt ein Paar aneinander angrenzender Halbleiterschichten mit unterschiedlich breiten Energie-

" bandlücken, wobei ein pn-übergang in der Zone schmaler Energiebandlücke angeordnet und von einen p-p-Heteroübergang, welcher an der Grenzfläche zwischen der Schichten gelegen ist, um einen Abstand d entfernt ist,-der kleiner ist als die Diffusionsweglänge Dder (injizierten) Minoritätsladungsträger bei Betriebstemperatur der Vorrichtung ist. Überlicherweise liegt die Diffusionsweglänge bei etwa einem Mikrometer, könnte aber je nach Dotierstoffkonzentration und je nach Wahl der übrigen Parameter größer sein.

" Der pn-Übergang und der hiervon im Abstand liegende p-p-Heteroübergang definieren daher drei interessierende Zonen: eine Zone schmaler Energiebandlücke des einen Leitungstyps, eine Zwischenzone, und eine Zone breiter Energiebandlücke eines zweiten Leitungstyps. Die Zwischenzone kann eine effektive Energiebandlücke gleich oder etwas kleiner als die der Zone schmaler Energiebandlücke haben und ist im allgemeinen vom selben Leitungstyp wie die Zone breiter Energiebandlücke, obgleich sie weniger stark dotiert sein kann als letztere.

109847/1232

ORIGINAL INSPECTED

Im nachstehenden wird ein Unterschied zwischen der Energieband-Lücke und der effektiven Energiebandlücke eines Halbleiters gemacht. Die Energiebandlücke ist definiert als die Energiedifferenz zwischen der minimalen Energie im Leitungsband und der maximalen Energie im Valenzbandes eines undotierten Halbleiters.

Bei Gegenwart einer hinreichend hohen Donator- und Akzeptorkonzentration existieren aber Bandausläuder sowohl am Leitungsais auch am Valenzband. Folglich ist die Energieverteilung eine asymtotische Funktion und das oben erwähnte Energieminimum und -maximum sind nicht klar definiert. Eine effektive Energiebandlüo-ke wird deshalb wie folgt definiert. Suche das Energieniveau in der Nähe (gerade unterhalb) der Unterkante des Leitungsbandes auf derart, daß gerade so viel der eingeführten Donatorzustände oberhalb wie unterhalb dieses Niveaus liegen. Suche ein ähnliches Niveau in der Nähe der Oberkante des Valenzbandes auf. Die Differenz zwischen diesen beiden Energieniveaus wird die effektive Energiebandlücke genannt.

Für die nachstehende Erläuterung sei angenommen,- daß der Leitungstypus für die Zone schmaler Energiebandlücke,· für die Zwischenzone und für die Zone breiter Energiebandlücke n-p-p ist. Die effektive Energiebandlücke jeder dieser Zonen sei mit E ,* E

1098*7/1232!

und E bezeichnet.

gp

Eins chnürungs effekt

Unter Vorspannung in Durchlaßrichtung (Fig. 2A) werden Elektronen (allgemein Minoritätsladungsträger) im Leitungsband über den pn-Homoübergang in die Zwischenzone in Richtung auf den p-p-Heteroübergang injiziert. Wenn eine Umkehr der Besetzungsverteilung zwischen dem Leitungs- und Valenzband hergestellt und der Schwellenwert für stimulierte Emission überschritten wird, tritt strahlende Rekombination zwischen Elektronen im Leitungsband und den Löchern im Valenzband auf. Bei üblichen Diodenanordnungen durchqueren die injizierten Elektronen den in Durchlaßrichtung vorgespannten Übergang und,- weil keine Beschränkung v-ie ein ρ -p-Heteroübergang vorhanden ist, · diffundieren tiefer in die p-Zone hinein,- wodurch die Dichte derjenigen Elektronen abnimmt, die einer Rekombination in dem Bereich unterliegen,· in dem stimulierte Emission auftritt, wodurch sich der Schwellenwert erhöht. Bei der vorliegenden Erfindung werden jedoch die in die Zwischenzone injiziwerten Elektronen hierauf durch die Energiestufe (Fig. 2A) begrenzt,· welche durch den Umstand, daß E ^E. erzeugt wird. Diese Energiestufe hindert die Elektronen

gp &*

an einer Überquerung des p-p-Heteroübergangs und schnürt diese Elektronen deshalb auf die Zwischenzone ein. Folglich ist die

109847/1232

ORIGINAL INSPECTED

Dichte der Elektronen in der Zwischenzone höher als wie es ohne eine solche Einschnürung sein würde. Diese erhöhte Elektronendichte verringert den Schwellenwert für stimulierte Emission, wie man sich anhand der Fig. 3A bis 3 C leicht überueugen kann. Fig. 3A und 3B zeigen je ein Diagramm der Energie, aufgetragen über die Zustandsdicht für übliche Laser-Anordnungen bei hohen bzw. tiefen Temperaturen/ während sich Fig. 3 C auf eine bei hohen Temperaturen betriebene Anordnung mit erfindungs gemäßem Einschnürungseffekt bezieht. Zu Vergleichszwecken ist angenommen, daß sowohl bei der Anordnung nach Fig. 3B als auch nach der Anordnung nach Fig. 3C die gleiche Stromdichte angewandt ist.

Vor einer ins einzelne gehenden Erläuterung dieser Figuren sei an das Fundamentalprinzip der Halbleiterlaser-Wirkung erinnert. Hiernach können nur jene Elektronen, deren Energien dicht beim Fermi-Niveau im Leitungsband (E ) liegen, und nur jene Löcher, deren Energien dicht beim Fermi-Niveau im Valenzband (E )

t ν

liegen, zur stimulierten Emission beitragen, wobei mit "dicht beim Fermi-Niveau" gemeint ist, daß die Ladungsträger-Energien innerhalb 1 bis 2 kT des Fermi-Niveaus liegen.

Bei tiefen Temperaturen (Fig. 3A) besetzen Elektronen 100% der

109847/ 123?
OWGlNAL INSPECTED

Zustände im Leitungsband zur Fermi-Grenze E , und die Löcher besetzen (oder Elektronen hiervon) zu 100% die Zustände im Valenzband oberhalb E-, . Theoretisch existiert deshalb eine

Fv

vollkommene Be setzungs Verteilungsumkehr zwischen diesen beiden Fermi-Energien E und E . Bei erhöhter Temperatur (Fig. 3B) werden die Minoritätsladungsträger, die Elektronen, auf höhere Energieniveaus infolge thermischer Anregung angehoben. Infolgedessen existiert nun der Hauptteil der Elektronen bei höheren Energiezuständen im Leitungsband, die vom neuen Fermi-Niveau E* einen großen (d. h. mehr als 1 bis 2 kT) Abstand besitzen. Eine ähnliche Änderung in der Besetzungsverteilung tritt im Valenzband auf, aber in einem geringeren Ausmaß. Der kombinierte Ef fekt dieser beiden Änderungen in den Besetzungsverteilungszuständen ist der, daß der Bruchteil der Elektronen, welcher zur stimulierten Emission beitragen kann, mit zunehmender Temperatur abnimmt, was wiederum höhere Schwellenwerte bei höheren Temperaturen (d. h. einen reduzierten Wirkungsgrad) bedingt.

Gemäß der Erfindung wird jedoch infolge des oben erwähnten Einschnürungseffekts die Dichte der Elektronen in der Zwischenzone erhöht, wie dieses aus dem oberen Teil der Fig. 3C hervorgeht. Darüber hinaus befindet sich das neue Fermi-Niveau

109847/ 123?

E" bei einem höheren Energieniveau als das der üblichen An-Fc

Ordnungen (d. h. höher als E' , Fig. 3B). Folglich ist, wie in

i? c

Fig. 3C dargestellt ist, ein größerer Teil der Elektronen dicht beim Fermi-Niveau E" verteilt und deshalb kann ein größerer Teil der Elektronen zur stimulierten Emission, also zur Verringerung des Schwellenwertes, beitragen.

Die n-p-p-Anordnung nach Fig. 2A hat ein zusätzliches Merkmal, das von dem Umstand herrührt, daß die effektive Energiebandlücke E . in der Zwischenzone kleiner ist als die effektive Energiebandlücke E auf der η-Seite (d. h., generell ist die effektive Energiebandlücke in der Zwischenzone kleiner als die in der Zone schmaler Energiebandlücke). Folglich sind die Löcher in der Zwischenzone an einer Diffusion in die η-Seite gehindert,· was wirksam zur Reduzierung des Schwellenwertes für stimulierte Emission beiträgt.

Ein typischer SH-Laser der entsprechend den obigen Prinzipien aufgebaut ist, · konnte bei etwa 9000 A betrieben werden, wenn er bei Zimmertemperatur mit einer Stromdichte von weniger als

2 10 000 Amp/cm angeregt wurde. Die Anordnung umfaßte n-lei-

18 3

tendes Sn dotiertes GaAs mit 4, 2 χ 10 Elektronen/cm . Eine p-leitende Al Ga₁ As-Zone breiter Energiebandlücke wurde im Epitatieverfahren unter Verwendung einer Plüssigphasen-

109847/1232

Tauchmethode bei 1000 C (nach welcher der Mischkristall auf einem GaAs-Einkristall epitaktisch aufwachsen gelassen wird), und zwar unter Verwendung von 1 gm Ga, 3, 84 mg Al, 200 mg GaAs und 10 mg Zn. Die Zwischenzone wurde erzeugt durch Zn-Diffusion in η-leitendes GaAs. Eine ins einzelne gehende Erläuterung dieses Verfahrens ist Gegenstand der eigenen US-Patent anmaldung 786 226 vom 23. 12. 1968. Typische Abmessungen (im Mikrometer) sind - siehe Fig. 1 - a = 357, b = 12, 7, b¹ = 103, c = 152. Die Zone schmaler Energiebandlücke, · die Zwischenzone und die Zone breiter Energiebandlücke hatten Tiefen von 127-152 Jim, 1,-5 bzw. 20 Mikrometer. Zur Verstärkung der Wärmeabfuhr aus der Vorrichtung kann die Zone schmaler Energiebandlücke (ζ. Β. n-GaAs) wesentlich dünner gemacht werden (z. B. kleiner als 5,1 Mikrometer). Es wurde weiterhin gefunden,· daß eine Dicke für die Zwischenzone von t etwa gleich 2,0 Mikrometer bevorzugt ist. Eine größere Dicke t reduziert den Einschnürungseffekt und erhöht dadurch den Schwellenwert. Bei einer Anordnung ohne den vorstehend erwähnten Unterschied in den effektiven Bandlücken zwischen der Zone schmaler Energiebandlücke und der Zwischenzone resultiert ein viel kleinerer Wert für t beim Einsatz der Löcher-Injektion, folglich gleichfalls eine Erhöhung des Schwellenwertes.

INSPECTED

109847/1232

Es ist auch möglich, eine entsprechend der Erfindung ausgebildete Diode unter Verwendung aneinander angrenzender Mischkristallschichten herzustellen, z. B. eines Al Ca, As-

x 1-x

Schicht breiter Energiebandlücke und einer Al Ca As-Schicht schmaler Energiebandlücke, ■ bei denen 0 ^y <x ist.

Doppel-Heterostruktur (DG)

Wie anhand der SH-Diode erläutert worden ist, würde es - außer für den Einsatz einer Löcherinjektion, die einen Verlust an Löchern für den strahlenden Rekombinationsprozeß verursacht,-wünschenswert sein,· die Dicke der Zwischenzone weiter zu verringern. Während der vorstehend erläuterte Unterschied in der effektiven Energiebandlücke zwischen der Zone schmaler Energiebandlücke und der Zwischenzone eine solche Löcherinjektion reduziert, wurde gefunden, daß die Doppel-Heterostruktur-Diode die Einschnürung sowohl der Löcher als auch der Elektronen zwischen den beiden HeteroÜbergängen stark erhöht, wodurch eine stimulierte Emission bei einem noch niedrigeren Schwellenwert bei Zimmertemperatur als bei der SH-Diode auftritt.

Die DH-Diode (Fig. 6A), deren Dimensionen zu erläuterungszwecken vergrößert sind,-umfaßt in einer Ausführung eine Wärmesenke 216, auf der ein mehrlagiger Aufbau mit einem Metall-

109847/1232 oftiQtNAt inspected

2^20464

kontakt 219, einer Unterlage 214,- einer η-leitenden Schicht 215 breiter Energiebandlücke,- einer Zone 224 schmaler Energiebandlücke,- einer p-leitenden Schicht 21-2 breiter Energiebandlücke, einer Kontaktschicht 217 und einem zweiten Kontakt 218 erzeugt ist. Es sei bemerkt,- daß es leicht möglich ist, die Wärmesenke auch auf dem Kontakt 218 oder auf beiden Kontakten 218 und 219 aufzubringen.

Ein p-p-Heteroübergang 223 befindet sich an der Grenzfläche zwischen der Schicht 212 und der Zone 224, wo hingegen ein n-n-Heteroübergang 225 an der Grenzfläche zwischen der Zone 224 und der Schicht 215 sitzt. Außerdem befindet sich ein p-n-Homoübergang 226 zwischen den Heteroübergangen in einer Lage derart, daß Gl. (1) bis (3) erfüllt sind. Alterfnativ (s. Fig. 6B) kann der pn-Übergang 226 mit dem n-n-Heteroübergang 225 zu-" sammenfallen, - in welchem Falle ein pn-HeteroÜbergang 222

(d.h. d = 0, d = t) entsteht.

öl' -

Wenn eine DH- Diode mit einem geeigneten optischen Resonator versehen und in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, werden die am pn-Homoübergang 226 injizierten Elektronen durch den p-p-Heteroübergang 223 reflektiert und unterliegen einer strahlenden Rekombination. Andererseits werden die Löcher, soweit sie

1 0984 7/1?^ ?

^/IZ^ ORiGINAt INSPECTED

212CU64

einer Injektion in der entgegengesetzten Richtung am pn-Homoübergang 226 unterliegen, am n-n-Heteroübergang 225 reflektiert und unterliegen gleichfalls einer Rekombination. Sonach werden sowohl die injizierten Löcher als auch Elektronen eletrisch auf die Zwischenzone 224 eingeschnürt, was zu niedrigeren Schwellenwerten bei Zimmertemperatur als irisher möglich war führte, selbstverständlich vorausgesetzt,· daß die Kriterien entsprechend Gl. (1) bis (3) erfüllt sind. Vorzugsweise gilt 0,125 uXt<l jx (d.h., t = 0,·8ιι) für eine GaAs-Zwischenzone. Es sei bemerkt, daß eine optische Einschnürung,- die durch diebeiden HeteroÜbergänge (die einen Wellenleiter bilden) erzeugt wird,- gleichfalls zu niedrigeren Schwellwerten beiträgt.

Beispiel

Dieses Beispiel beschreibt eine Doppel-Heterostruktur-Läser-Diode,· die entsprechend der Erfindung ausgebildet ist und mit H ilfe einer mit flüssiger Phase arbeitenden Epitaximethode hergestellt wird. Die hierzu verwendete Apparatur hatte einen Keimkristallhalter und einen Lösungshalter mit einer Mehrzahl Trögen,- welche über dem Keimkristall in Stellung geschoben werden konnten. Die Anordnung wurde in einem Züchtungsrohr angeordnet und in einem (mit einem Fenster versehenen) Ofen unter-

109847/1232 original inspected

gebracht.

Ein mit Silizium dotiertes Galliumarsenid-Plättchen (etwa 6 mm χ

18 12 mm χ 500 Mikrometer) mit etwa 4 χ 10 Elektronen pro ecm und mit Kristallflächen senkrecht zur kristallographischen 100-Richtung wurde in handelsüblicher Qualität als das Unterlageglied ausgewählt. Das Plättchen wurde mit 305-Carborundum geschliffen,· mit deonisiertem Wasser gespült und einer Ätzpolitur mit einer Brom-Methanollösung zur Entfernung von Oberflächenschäden, unterzogen.

Vier Lösungen wurden dann in folgender Weise hergestellt. Zuerst wurden die nachstehenden Materialmengen abgewogen. Für Lösung I: 1 g Ga, 100 mg GaAs (undotiert), 2 mg Al und 15 mg Sn. Für Lösung II: 1 g Ga, 100 mg GaAs (undotiert) und 1 mg Si. Für Lösung III: 1 g Ga,- 50 mg GaAs (undotiert), 3 mg Al und 5 mg Zn. Für Lösung IV: 1 g Ga, 75 mg GaAs (undotiert) und 32 mg Ge. Für jede Lösung wurde das Ga plus GaAs kurz auf 900 C unter Wasserstoff in einem Graphitlösungsbehälter vorerhitzt. Der Keimkristall und die vier präparierten Lösungen von Ga plus GaAs wurden in separaten Trögen des Lösungshalters untergebracht. Der Rest der festen Komponenten, ■ die ausgewogen worden waren,. wurden dann in die richtigen Tröge mit dem vor-

" " 109847/1232 original inspected

gemischten Ga plus GaAs eingebracht und mechanisch unter die Oberfläche des flüssigen Ga gedrückt,· um einen guten Kontakt bei der nachfolgenden Erhitzung sicherzustellen. Das ganze wurde dann in ein Quarzglas-Züchtungsrohr eingebracht. Zur Ausspülung der Luft aus dem Rohr wurde Wasserstoff hindurchgeleitet. Nach etwa 10 Minuten langem Wasserstoffhindurchlauf wurde das die Halter enthaltende Rohr in den Ofen bei 870 C verbracht. Ein Hilfsheizer, · der aus einer einzigen Drahtschieide aus etwa 60 cm eines 0, 5 mm starken Nichrom-Drahtes bestand und mit 20 Volt Wechselstrom beheizt wurde, · wurde unter dem Keimkristall angeordnet und während dieses Schrittes beheizt. Die Temperatur,- wie sie mit einem gleichfalls unter dem Keimkristall angeordneten Thermoelement gemessen wurde,- wurde auf etwa 870 C ansteigen gelassen,- so dann erfolgte eine Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von 3 C pro Minute. Bei 850 C wurde der Lösungshalter so bewegt,* daß Lösung I in Kontakt mit dem Keimkristall kam. Eine mechanische Vibrationseinrichtung diente zur leichten Rührung der Lösung,- während eine Abkühlung auf 830°C auftrat. Bei 8 30°C wurde der Lösungshalter so verschoben,- daß nun die Lösung II dem Keim-Kr istall bedeckte und dort etwa 15 Sekunden lang unter weiterer Vibration verblieb. Dannach wurde der Lösungshalter erneut verschoben, so daß der Keimkristall nun unter der Lösung III an-

1O9847/123?

geordnet war, wo er 30 Sekunden lang (mit Vibration) gehalten wurde. Der Lösungshalter wurde dann erneut verschoben, so

daß der Keimkristall unter der Lösung IV zu liegen kam und dort 60 Sekunden lang (mit Vibration) verblieb, wonach dann der Keimkristallhalter bewegt wurde, so daß eine genau angepaßte nach oben weisende Graphitfläche des Lösungshalters den Rest der Lösung 4 vom Keimkristall abstreifte. Während dieser ganzen Prozedur wurde die Abkühlungsgeschwindigkeit von 3 C pro Minute beibehalten. Auf den letzten Schritt folgend, wurde das Rohr aus dem Ofen entfernt und der Abkühlung auf Zimmertemperatur überlassen. Mit diesem Verfahren erhielt man ein n-leitendes GaAs-Plättchen 214, auf welchem vier Schichten, wie diese in Fig. 6A und 6B dargestellt sind, epitaxial niedergeschlagen waren.

Die erste Schicht 215 besteht hauptsächlich aus n-Ga Al As

18 ^i

mit χ gleich etwa 0, 3-0, 5, das mit Sn auf 10 Elektronen/cm dotiert war. Ein n-n-Heteroübergang 221 entstand an der Grenzfläche zwischen den Schichten 214 und 215. Die zv/eite Schicht 224 war GaAs, das mit Si dotiert (und möglicherweise mit Zn durch Diffusion aus der folgenden Schicht kompensiert), jedoch p-leitend war. Ein p-n-Heteroübergang 222 war an der Grenzfläche zwischen den Schichten 215 und 224 erzeugt. Von der dritten Schicht 212 wurde angenommen, daß sie p-Ga^ Al As war, wobei χ etwa im Bereich von 0, 3-0, 5 lag, und das durch Zinn

18 19 ^i

p-leitend im Bereich von 10 bis 10 Löcher/cm dotiert war.

109847/123?

Ein p-p-Heteroübergang 223 lag an der Grenzfläche zwischen den Schichten 212 und 224. Die vierte Schicht 217 war GaAs, das

18 "\

p-leitend durch Ge auf etwa 10 Löcher/cm dotiert war. Dies führte zu einem weiteren p-p-Heteroübergang 220 zwischen den Schichten 212 und 217.

Die Dicke der Schichten 215, 224, 212 und 217 waren in einem ausgemessenen Abschnitt etwa 5 Mikrometer, 1, 5 Mikrometer, 1,-9 Mikrometer bzw. 2 bis 15 Mikrometer. Der Abstand des pn-Heteroübergangs 222 vom p-p-Heteroübergang 223 war deshalb ungefähr 1, 5 Mikrometer.

Eine nicht mit einer Wärmesenke versehene Laserdiode wurde dann aus dem Plättchen zum Zwecke der Abschätzung der Schwellenwert stromdichte hergestellt. Erreicht wurde dieses zunächst durch oberflächliches Eindiffundieren von Zn in hoher

20 3

Konzentration (10 Zn/'cm ) auf eine Tiefe von 0,2 Mikrometer in die Oberfläche des Plättchens. Das Plättchen wurde dann auf eine Dicke von etwa 150 Mikrometer geschliffen. Kontakt (Fig. 6A, Schichten 218 und 21Θ) zu den n- und p-Flichen des Plittchens wurde nach üblichen Aufdampfmethoden hergestellt, wobei Schichten aus Chrom und Gold von einigen tausend Angström Dicke aufgebracht wurden. Die «mutierend* Anordnws* wurde da» ge-

2ο

2:20464

schnitten und geschliffen, um eine Anzahl Dioden zu erhalten, die dann auf Halter montiert wurden, welche mit Mitteln zur Kontaktierung sowohl der n- als auch der p-Seite des Halbleiterkörpers versehen waren. Die resultierenden Laserdioden wurden in einem zur Beobachtung von infrarotem Licht ausgelegten Mikroskop montiert und mit einer Speiseenergiequelle impulsweise beaufschlagt. Bei Zimmertemperatur betrug die Schwellenwertstromdichte einer aus diesem Plättchen hergestellten Laser-

2
diode 3900 A/cm .

Unter Verwendung ähnlicher Methoden zeigten andere Dioden mit einer weniger als 1,0 Mikrometer dicken Zwischenzone 224 bei

2 Zimmertemperatur Schwellenwerte bis herab zu 3000 A/cm .

Darüber hinaus zeigten Dioden mit vollständiger innerer Reflexion

bei Zimmertemperaturen Schwellenwerte im Bereich 2300-2800 A/cm

Struktur mit energetisch tiefen Zuständen

Zusätzlich zu dem Einschnürungseffekt können energetisch tiefe Zustande, entweder tiefe isolierte Dotier stoff zustände oder tiefe Bandaueläuferzustände in der Nähe de· Valenzband·· in der Zone schmaler Energiebandlücke vorgesehen Min, wie dieses bei der SH-Diode nach Fig. 2B dargestellt ist; auch hier «oll su Erläu-

terungszwecken wiederum eine n-p-p-Anordnung angenommen sein (n-p-p entspricht dabei dem Leitungstypus der Zone schmaler Energiebandlücke, der Zwischenzone bzw. der Zone breiter Energiebandlücke). Sonach sind entspredchend Fig. 2B die tiefen Zustände in zumindest der η-Zone schmaler Energiebandlücke vorgesehen. In diesem Falle erzeugt die Stromquelle 18 (Fig. 1) eine Umkehr der Besetzungsverteilung zwischen den Elektronen im Leitungsband und den Löchern in den tiefen Zuständen, und folglich liefert eine strahlende Rekombination der Löcher und Elektronen eine kohärente Strahlung, wie dieses durch den Doppelpfeil in der η-Zone schmaler Energiebandlücke dargestellt ist. Es ist jedoch auch möglich, daß stralende Rekombination in der Zwischenzone auftritt. Bei der Anordnung mit tiefen Zuständen dient der p-p-Heteroübergang hauptsächlich zur Kontrolle des Typus der Minoritätsladungsträgerinjektion, die vorherrschend ist. Bei der n-p-p-Anordnung, ist eine Löcherinjektion vom Valenzband in die energetisch tiefen Zustände auf der η-Seite dominant. Bei einer solchen Vorrichtung kann es wünschenswert sein, daß d sehr klein gemacht wird, beispielsweise daß d viel kleiner als die Diffusionsweglänge der Minorität sladungsträger gemacht wird. Z.B. liegt für einen Injektionslaser, bei welchem die beiden aneinander angrenzenden Halbleiterschichten GaAs und ein Mischkristal aus p-Al Ga, As

^ . χ 1-x

J09847/1232

BAD ORIGINAL

2*

sind, wobei die energetisch tiefen Dotierstoffzustände durch Mn-Dotierung erzeugt sind und die Energiebandlücke im Mischkristall die größere Ist, die Strahlung bei Zimmertemperatur im nahen Infraroten bei etwa 1, 30 eV (9500 A).

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist eine zusätzliche Verring erung des Temperaturkoeffizienten des Schwellenwertes dadurch erreicht, daß tiefe Energiezustands-Bandausläufer in der Nähe des Leitungsbandes vorgesehen sind. Diese Methode sei nachstehend im einzelnen erläutert. Die Verwendung energetisch tiefer Zustände und/oder tiefer Bandausläufer trifft ersichtlich gleichermaßen gut auf DH-Laserdieoden zu.

Die nachstehenden Materialien und Parameter sind nur eine beispielhafte Aufzählung, und die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Ein Halbleiterinjektionslaser mit einfacher HeteroStruktur (Fig. 1) kann wie folgt aufgebaut sein: Die Schicht 14 schmaler Energiebandlücke (η-leitend außer der Zwischenzone 24) aus GaAs, das gezüchtet wurde aas einer Ga-Lösung mit 1 bis 10 mg Mn und 0,1 bis 2 mg Te pro 1 g Ga; die p-leitende Schicht 12 breiter Energiebandlücke aus p-Al Ga As (x = 0,1 bis 0, 5),

χ 1—χ

d.h., aus einem Mischkristall aus AlAs und GaAs, der aus einer Ga-Lösung mit 1 bis 10 mg Zn, 1 bis 10 mg Mn und 1 bis 10 mg Al

1 0 9 8 U 7 / 1 2 3 2 ORIGINAL INSPECTED

pro g Ga gezüchtet wurde; die Elektroden 20 und 22 aus Ti und Au bzw. aus Sn und Ni. Typische Abmessungen sind (in Mikrometer) a = 371,- b¹ = 102, b = 12,-7 und c = 152. Die Tiefe der Zonen breiter bzw. schmaler Energiebandlücken ist typischerweise 20 Mikrometer bzw. 12,-7 Mikrometer, während die Dicke der Zwischenzone - wie vorhin erwähnt - vorzugsweise viel kleiner ist als die Diffusionsweglänge der Minoritätsladungsträger.

Theorie der tiefen Zustände

Die nachstehende Erläuterung bezieht sich auf verschiedene, eine GaAs-Laser zugeordneten Probleme, diese Probleme und die angegebenen Lösungen hierfür treffen aber gleichermaßen auch auf andere Halbleiter-Laser zu, bei denen andere Materialien wie InP, InAs und InSb vorgesehen sind.

Wie Eingangs erläutert wurde, ist eines der ernsthaften Probleme bei GaAs-Injektionslasern der Umstand, ■ daß die Schwellenwert-Stromdichte für stimulierte Emission sehr stark zunimmt;

in der Nähe der Raumtemperatur weitgehend proportional zu T , so daß der Schwellenwert bei Raumtemperatur etwa 50 bis 100 Mal größer ist als bei Temperaturen des flüssigen Stickstoffs (77 K).

109847/1232

212C464

Folglich erfordert der GaAs-Injektionslaser,· der bei Temperaturen des. flüssigen Stickstoffs sehr leicht stimuliert emittiert,

große Stromdichten (z. B. 30 000 Amp/cm ) bei Zimmertemperatur, und es war hier nur ein Impulsbetrieb, nicht abeer ein Dauerstrichbetrieb möglich.

Die Hauptursache dieser exponentiellen Temperaturabhängigkeit des Schwellenwertes ist die Temperaturabhängigkeit der Ladungsträgerverteilung im Leitungs- und Valenzband, wie dieses in Verbindung mit Fig. 3A und 3B erläutert wurde. Der hohe Schwellenwert bei hohen Temperaturen kann zusätzlich zu der Verwendung des Einschnürungseffektes vermieden werden durch Modifizieren der Bandform wie dieses im vorstehenden kurz gestreift wurde und nachstehend anhand der Fig. 4A, · 4B und 4C noch im einzelnen erläutert wird, welche das Diagramm der Energie über der Zustandsdiuhte bei erhöhter Temperatur zeigen.

Eine Methode zum Erhalt tiefer Zustände würde es sein, tiefe, isolierte Dotier stoff-(Donator-)Zustände in der Nähe des Leitungsbandes in einem üblichen Halbleiter-Laser (z. B. GaAs-Laser) vorzusehen, der hauptsächlich auf Elektroneninjektion beruht. "Tief" bedeutet hier,- daß der Energieabstand E zwischen dem Boden des Leitungsbandes und den Dotierstoff-Energiezustän-

, 109847/1232 ofiHSBNAt inspected

den(Fig. 4A) zumindest ein Mehrfaches KT ist (z. B. 2 bis 6 kT), wenn k die Boltzmann'sche Konstante und T die absolute Temperatur der Vorrichtung bedeuten. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, dann werden sich beim Dotier stoff-Energieniveau befindliche Elektronen nicht durch thermische Anregung in das Leitungsband gehoben. Sonach kann eine Umkehr der Besetzungsverteilung zwischen den Ladungsträgern beim Dotierstoff-Energieniveau bzw. Valenzband bei höheren Temperaturen aufrechterhalten werden. Ein Problem bleibt jedoch. Die Energie E , - ist in erster

2 Näherung im Wasserstoffmodell proportional zum /g , wobei

m die effektive Elektronenmasse und C die dielektrizitätskone

stante bedeuten. In GaAs und anderen ähnlichen Halbleitern wie InP, InAs und InSb ist m zu klein, um ein diskretes isoliertes

Donator-Energieniveau zu erzeugen, das sich vom Leitungsband unterscheidet (d.h., E ist typischerweise nur 3 oder 4 meV in GaAs, wohingegen kT = 26 meV bei Zimmertemperatur ist). Folglich ist es schwierig, ein Dotierstoff-Element zu erhalten, das die zum Aufrechterhalten einer Umkehr der Besetzungsverteilung bei höherer Temperaturen erforderlichen tiefen Donator-Energiezustände erzeugt.

Andererseits ist die effektive Löchermasse m. viel größer als

m (z. B., ην t& 10 m in GaAs). Folglich würden entsprechend

. . ι o 9 8 h 7 /-·■:?

*" OWOfNALtNSPECTED

dem Wasserstoffmodell die Akzeptor-Energieniveaus viel tiefer sein (z. B. E 30 bis 40 meV oberhalb des Valenzbandes in GaAs) als die Donator-Energieniveaus (vergl. Fig. 4B). Zusätzlich erzeugen verschiedene Elemente wie Mn, Co, Ni, Cu oder Au Akzeptor-Energieniveaus tiefer als 100 meV oberhalb des Valenzbandes in GaAs. Um jedoch ein solches Akzeptor-Energie niveau zum Erhalt einer bei höheren Temperaturen stabileren

™ Umkehr der Besetzungsverteilung zu verwenden, · ist es wünschenswert, daß gewisse Kriterien in der Zone erfüllt sind,- in welcher die strahlende Rekombination auftritt. So sollte (1) die Elektronendichte im Leitungsband groß genug sein, - um gegenüber durch thermische Anregung erzeugten Verteilungsanderungen relativ unempfindlich zu sein, und (2) sollten die Löcher vollständig die tiefen Akzeptorzustände besetzen,- außer daß einige Löcher die Zustände im Valenzband besetzen sollten, und die Dichte der Löcher

w in den Akzeptor-Zuständen sollte so sein,- daß auf eine Rekombination hin ausreichende Intensität für stimulierte Strahlungsemission erzeugt wird.

Diese Kriterien werden in einem Halbleiterinjektions-Laser mit Einfach-Hetero struktur erfüllt, der wie vorstehend erläutert, ein Paar aneinander angrenzende halbleitende Schichten mit unterschiedlichen Energiebandlücken aufweist,-ferner einen pn-Homo-

1 0 9 8 L 7 / '; 2 : ? ORiGfNAL INSPECTED

übergang in dem Material schmaler Energiebandlücke,· der von einem p-p-Heteroübergang, ■ welcher an der Grenzfläche zwischen den Schichten gelegen ist,· um einen Abstand entfernt ist,- der kleiner ist als die Diffusionsweglänge der Minoritätsladungsträger, · wodurch wie vorhin eine Zwischenzone zwischen dem pn-Übergäng und dem p-p-Heteroübergang definiert wird. Zusätzlich sind tiefe "isolierte" Akzeptor-Zustände in der Zwischenzone und/oder der Zone schmaler Energiebandlücke durch geeignetes Dotieren vorgesehen. Diese Struktur führt zu einer Energiestufe (Fig. 2A und 2B) im Leitungsband, die eine Elektronendiffusion über den HeteroÜbergang hinaus auf die Seite der breiten Energiebandlücke verhindert. Als Ergebnis dieses Einschnürungseffektes ist, wie erwähnt, die Elektronendichte in der Zwischenzone auf einem höheren Wert unter einer Vorspannung in Durchlaßrichtung, als dieser ohne den Einschnürungseffekt bei den üblichen Anordnungen erreichbar wäre. Sonach ist Bedingung (1) erfüllt. Unter geeigneter Vorspannung in Durchlaßrichtung erfüllt eine richtige Akzeptor-Dotierung die Bedingung (2).

Alternativ (Fig. 4C) können die energetisch tiefen Zustände erzeugt

19 3 werden durch starkes Dotieren (beispielsweise 10 /cm ) was zu tiefen Bandausläufer-Zuständen, · statt tiefen isolierten Dotierstoff-Energiezuständen,t führt, welche sich vom Valenzband und/oder

' 10 9 8 4 7/1232 original inspected

2:20464

Leitungsband in die Energiebandlücke hineinerstrecken. Diese Bandausläufer halten wie die tiefen Dotierstoffenergiezustände eine relativ konstante Ladungsträgerverteilung trotz thermischer Anregung aufrecht, vorausgesetzt, daß sie um mehr als einige kT von der Bandkante entfernt sind. Typische Dotierstoffe, die sowohl Leitungs- als auch Valenzbandausläufer erzeugen, umfassen Si, Ge und Sn. Andererseits erzeugt Te allein Leitungsbandausläufer, während Zn allein Valenzbandausläufer erzeugt.

Zusätzlich sind Mischkristalle wie In Ga_n As für die Existenz

χ 1-x

tiefer Bandausläufer besonders zugänglich, d. h. ein Diodenaufbau, bei welchem die beiden Halbleitermaterialien ein Mischkristall

aus In Ga₁ As bzw. p-GaAs sind, wobei der Mischkristall die χ 1-x

schmalere Energiebandlücke besitzt. Alternativ könnte der Mischkristall GaAs₁ Sb statt In Ga₁ As verwendet werden.
1-x χ χ L-x

W Es ist leicht möglich, einen optischen Resonator mit hohem Gütefaktor Q bei beiden Ausführungsformen zu realisieren, bei denen ausschließlich der Einschnürungseffekt benutzt wird und bei denen die tiefen Energiezustände eingeschlossen sind, wenn man das ganze mit üblichen Laser-Dioden vergleicht. Die Verwendung aneinander angrenzender Schichten schmaler und breiter Energiebandlücken, die demgemäß unterschiedliche Brechungsindizes besitzen, erzeugt eine Grenzfläche am HeteroÜbergang, der einen

109847/1232

ORIGINAL INSPECTED

Strahlungsverlust in die Schicht breiter Energiebandlücke verhindert. Zusätzlich reduziert die Verwendung der Schicht breiterer Energiebandlücke die Absoption stimulierter Strahlung, weil die Strahlung in der Zonr schmalerer Energiebandlücke oder der Zwischenzone auftritt. Sonach ist die der Strahlung zugeordnete Energie kleiner als die Energiebandlücke auf der Seite der breiten Energiebandlücke und kann deshalb sehr wirksam absorbiert werden. Es mag insbesondere wünschenswert sein, einen solchen optischen Resonator hoher Güte Q bei jener Ausführungsform zu verwenden, wo mit tiefen Energiezuständen gearbeitet wird, da die Dichte der Zustände, welche zur stimulierten Emission beitragen, etwas kleiner ist als in der Grundanordnung, bei welcher nur mit dem Einschnürungseffekt gearbeitet wird. Um einen Resonator mit hoher Güte Q zu erhalten, sollten die Reflexionsverluste an den Resonator spiegeln reduziert werden. Eine hochreflektierende Beschichtung auf den Spiegeloberflächen oder eine totalreflektierende Schwingungsform in einem Resonator mit Spiegeln auf vier Seiten kann zu diesem Zweck benutzt werden. Eine solche Anordnung hoher Güte Q reduziert die Schwellenwert-Stromdichte und somit die Eingangsenergie, einen der Faktoren, der die Betriebstemperatur beschränkt.

Die vorstehende Erläuterung über die tiefen Energiezustände und die tiefen Bandausläufer treffen in gleicherweise auch auf DH-Dioden zu, insbesondere auch die Ausführungsform nach Fig. 6A

109847/12 3 2

ORiQfNAI. JNSPECTED

bei der der p-n-Übergang ein pn-Homoübergang ist. Darüberhinaus kann es in einigen Fällen zur Begrenzung der Anzahl angeregter Eigenschwingungen der Vorrichtung wünschenswert sein, eine Streifengeometrie zu verwenden, wie dieses in der US-Patentschrift 3 363 195 erläutert ist.

Elektrolumineszente Diode

Die vorstehend erläuterte SH- und DH-Laser-Dioden arbeiten auch wirksam als eine elektrolumineszente Diode, wenn der optische Resonator weggelassen wird. Die nachstehende Erläuterung ist auf eine elektrolumineszente SH-Diode gerichtet, ähnliche Überlegungen treffen aber auch auf die DH-Diode zu.

Die grundsätzlich Einfach-Heterostruktur umfaßt wie vorhin aneinander angrenzende Halbleiter schichten 112 und 114 unterschiedlicher Energiebandlücken mit einem pn-Homoübergang in der Schicht 116 schmaler Energiebandlücke, der von einem p-p-Heteroübergang 123 an der Grenzfläche zwischen den Schichten im Abstand gelegen ist. Eine Stromquelle 118,- die an die auf der Seite der Schicht 112 und am Boden der Schicht 114 niedergeschlagene Kontakte 120 bzw. 122 angeschlossen ist, führt zu

in
einer Emission von Strahlung 126 der Zwischenzone, welche

109847/1232

die Vorrichtung durch die Schicht 112 breiter Energiebandlücke verläßt. In der dargestellten Ausführungsform bildet die Schicht 114 schmaler Energiebandlücke eine Unterlage mit einer Mesaähnlichen Form, um Stromausbreitungseffekte hierin zu verringern. Darüber hinaus ist die Schicht breiter Energiebandlücke von domartiger oder halbkugelartiger Form, · um Reflexionsverluste an der Grenzfläche zwischen der Schicht und der Außenatmosphäre dadurch zu verringern, daß der Teil der Strahlung 126, der auf diese Grenzfläche senkrecht einfällt, vergrößert wird. Sowohl die Mesa- als auch die Halbkugelform erhöhen den Wirkungsgrad der Vorrichtung. Der Wirkungsgrad wird noch weiter erhöht,- da die in der Zwischenzone erzeugte Strahlung eine Energie hat, · die geringer ist als die Energiebandlücke der Schicht 112, wodurch Absorptionsverluste reduziert werden. Beispielsweise ist in einer üblichen elektrolumineszenten GaAs-Diode die Energiebandlücke der p-Zone nahezu gleich der Strahlungsenergie, wodurch eine höhere Dämpfung infolge optischer Absorption auftritt.

Bei einer Diodenanordnung sowie in der Fig. 5 dargestellten (ausgenommen daß die Schicht 112 eben und nicht domartig ist) wurde spontane Emission bei etwa 8800 A und ein Wirkungsgrad von etwa 1% beobachtet. Die Diodenunterlage umfaßte n-GaAs,

109847/12^2 original inspecteö

2 : 2 C 4 6

1 ö das mit Sn oder Si auf eine Konzentration von etwa 2 χ 10

ίο ο

bis 4 χ 10 /cm dotiert war, und eine Schicht 112 aus p-Ga Al As (x-^0, 3 - 0, 5) und wurde" mit etwa 10 mA

Gleichstrom betrieben. Während die Dicke der p-GaAs-Zwischenzone 124 (etwa 1-4 Mikrometer) keine nennenswerte Absorptionsverluste verursachen sollte, ist eine genaue Steuerung derselben nicht so wichtig wie bei der Laser-Diode. Der Durchmesser der Spitze der Mesa liegt üblicherweise bei etwa 500 Mikrometer, während der Boden der Mesa etwa 1270 Mikrometer beträgt und nicht kritisch ist. Jedoch erhöhen kleinere Durchmesser an der Spitze den Wirkungsgrad durch Erhöhung der Stromdichte

109847/1.23 2 ORtGmAL INSPECTED

Claims

3£· 2 : 2 C 4 6 PATENTANSPRÜCHE

1. J Halbleitervorrichtung zur Verwendung bei einer lichtemittierenden Halbleiderdiode, gekennzeichnet durch einen mehrschichtigen Aufbau mit zumindest einem HeteroÜbergang mit beiderseits gleichem Leitungstyp und einem hiervon in einem Abstand d angeordneten pn-übergang, der kleiner ist als die Diffusionsweglänge der in Richtung auf den HeteroÜbergang injizierten Minoritätsladungsträger.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Verwendung als elektrolumineszente Diode mit Einfach-Heterostruktur, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrlagige Aufbau erste und zweite aneinander angrenzende Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Energiebandlücken aufweist", daß der HeteroÜbergang an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten gelegen ist, daß der pn-Übergang ein pn-Homoübergang ist und in der Schicht mit der schmaleren Energiebandlücke gelegen ist, wodurch eine Zwischenzone zwischen den Übergängen definiert ist und wobei Strahlung aus der Zwischenzone durch die Schicht breiter Energiebandlücke hindurch emittiert wird.

109847/12 D 2 ORIGINAL INSPECTED

2 ;20464

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, ■ die die Injektion der Minoritätsladungsträger über den pn-Übergang in Richtung auf den HeteroÜbergang hin verursacht und dadurch eine strahlende Rekombination von Löchern und Elektronen erzeugt,· und daß die Injizierungseinrichtung Mittel zum Vorspannen des pn-Überganges in Durchlaßrichtung und zum Zuführen von Gleich-

™ strom hieran in einer zur Erzeugung optischer Strahlung ausreichenden Größe aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht breiter Energiebandlücke umgefähr Halbkugelgestalt besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2,· dadurch gekennzeichnet,- ψ daß die Schicht schmaler Energiebandlücke mesaförmige Gestalt besitzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,-

daß die erste Schicht aufgebaut ist aus η-Al Ga, As. die Zwi-

x 1-x '

schenzone aus p-Al Ga₁ As und die zweite Schicht aus p-Al Ga,

y 1-y ^z n-y

mit χ i y «^ z.

109847/12 3 2 ORIGINAL JNSPECTED

L ι ζ ϋ ^ b

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,-daß χ = y = 0 und z > 0 erfüllt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Verwendung als elektrolumineszente Diode mit Doppel-Heterostruktur,- dadurch gekennzeichnet,· daß ein zweiter HeteroÜbergang auf der dem Heteroübergang mit beiderseits gleichem Leitungstypus abgewandten Seite des pn-Übergangs in einem Abstand d einschließlich Null vorgesehen ist,- der kleiner ist als die Diffusionsweglänge der in Richtung auf den zweiten HeteroÜbergang injizierten Minoritätsladungsträger, · wodurch eine Zwischenzone schmaler Energiebandlücke zwischen den HeteroÜbergängen und als an diese Zwischenzone angrenzendes Paar von Zonen breiterer Energiebandlücke definiert sind,- wobei Strahlung aus der Zwischenzone durch zumindest eine der Zonen breiter Energiebandlücken hindurch emittiert wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,-daß die eine der Zonen breiter Energiebandlücke aufgebaut ist

aus η-Al Ga, As, die Zwischenzone aus p-Al Ga. As und die χ 1-x y 1-y

andere Zone breiter Energiebandlücke aus p-Al Ga As, mit 0 4^y *<x und z.

OWOlNAL INSPECTED

^; 10984 7/ 123 2

L. . _ ■■. L b ύ

10. Vorrichtung nach Anspruch 8,- dadurch gekennzeichnet,

daß eine Einrichtung vorgesehen ist,- die die Injektion der Minoritätsladungsträger über den pn-übergang in Richtung auf den HeteroÜbergang hin verursacht und dadurch eine strahlende Rekombination von Löchern und Elektronen erzeugt, und daß die Injizierungseinrichtung Mittel zum Vorspannen des pn-Überganges in Durchlaßrichtung und zum Zuführen von Gleichstrom hieran in einer zur Erzeugung optischer Strahlung ausreichenden Größe aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Verwendung als ein Injektionslaser mit Einfach-Heterostruktur,- der einen Schwellenwertstrom für stimulierte Strahlungsemission besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei reflektierende Flächen einen optischen Resonator zum Aufrechterhalten kohärenter Strahlung vorgesehen sind,- daß eine Einrichtung zum Auskoppeln eines Teils der Strahlung aus dem Resonator vorgesehen ist,· daß eine Einrichtung zur Erzeugung einer Injektion von Minoritätsladungsträgern durch den pn-übergang hindurch und in Richtung auf den HeteroÜbergang hin vorgesehen ist,-um dadurch strahlende Rekombination von Löchern und Elektronen zu erzeugen,- und wobei der pn-Übergang ein pn-Homoübergang ist,- der zugeführte Strom den Schwellenwert für stimulierte Strahlungsemission übersteigt

109847/1222 ofhghnai. inspected

2 1 2 C 4 6

und die Übergänge eine Zwischenzone zwischen sich definieren.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Verwendung als ein Injektionslaser mit Doppel-Heterostruktur, der einen Schwellenwert-Strom für stimulierte Strahlungsemission besitzt,· dadurch gekennzeichnet,- daß zumindest zwei reflektierende Oberflächen vorgesehen sind,- die einen optischen Resonator zum Aufrechterhalten kohärenter Strahlung bilden, ■ daß eine Einrichtung zum Auskoppeln eines Teils der Strahlung aus dem Resonator vorgesehen ist, daß ein zweiter HeteroÜbergang,- der auf der dem HeteroÜbergang mit beiderseits gleichem Leitungstyp abgewandten Seite des pn-Übergangs in einem Abstand d einschließlich Null gelegen ist,- der kleiner ist als die Diffusionsweglänge der Minoritätsladungsträger, die in Richtung auf den zweiten HeteroÜbergang injiziert werden,- wodurch eine Zwischenzone zwischen den HeteroÜbergängen definiert ist, - deren Dicke t größer ist als etwa λ/2,- mit ^ gleich der Wellenlänge der Strahlung in der Zwischenzone,- und daß die Abstände d und d so ge-

1 Ct

wählt sind,- daß d, << D und d_o isD_x,. ist, wobei D_ und O„ die

1 XLi Δ JtI JtLi JtI

Diffusionsweglängen der Elektronen bzw. Löcher bei Betriebstemperatur der Vorrichtung bedeuten,- daß eine Einrichtung zum Erzeugen der Injektion von Minoritätsladungsträgern über den pn-übergang auf den HeteroÜbergang hin vorgesehen ist,, um dadurch

ORKBNAt INSPECTED

strahlende Rekombination von Löchern und Elektronen zu erzeugen,- daß die Injektionseinrichtung Mittel zum Vorspannen des pn-Übergangs in Durchlaßrichtung und zum Zuführen von Gleichstrom in einer Größe vorgesehen ist, ? die zur Erzeugung einer optischen Strahlung ausreichend ist, · und daß der zugeführte Strom den Schwellenwert für stimulierte Strahlungsemission übersteigt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1,- dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung als ein Halbleiterinjektions-Laser mit Einfach-Hetero struktur die Halbleitervorrichtung aufgebaut ist aus einer p-leitenden Schicht aus Al Ga₁ As, einer hieran an-

^r χ 1-x

grenzenden Schicht aus GaAs,- die einen HeteroÜbergang hierzwischen definiert, - und einem pn-Homoübergang in der GaAs-Schicht,- der von dem HeteroÜbergang in einem Abstand kleiner als die Diffusionsweglänge der Minoritätsladungsträger gelegen ist,-wodurch eine Zwischenzone hierzwischen definiert ist,-und wobei die effektive Energiebandlücke in der Al Ga As-Schicht größer

X JL ™X

ist als in der Zwischenzone, daß Mangan-Akzeptorenergiezustände in größerem Energieabstand als eine kT oberhalb des Valenzbandes auf zumindest der η-Seite des pn-Homoübergangs vorgesehen sind,· daß Mittel zum Vorspannen des pn-Homoüberganges in Durchlaßrichtung vorgesehen sind,- um eine Injektion von Löchern

10 9847/1232 OfBGmAL inspected

2"! 20464

in die Mangan-Energiezustände zu veranlassen und dadurch eine stimulierte kohärente Rekpmbinationsstrahlung zwischen Löchern in den Mangan-Energiezuständen und Elektronen im Leitungsband zu erzeugen, ^ wobei die Vorspannmittel eine Einrichtung zum Zuführen eines Gleichstroms über den pn-Homoübergang in einer Größe hinweg aufweisen, ι die den Schwellenwert für stimulierte Strahlungsemission überschreitet,· daß die Vorrichtung einen optischen Resonator zum Aufrechterhalten der Strahlung mit einem Paar optischer planparalleler reflektierender Flächen quer zur Ebene der Zwischenzone aufweist und daß Mittel zum Auskoppeln eines Teils der Strahlung aus dem Resonator vorgesehen sind.

109847/1232 ORIGINAL INSPECTED

¥6

Lee rseite