DE2139436A1 - Halbleiterlaser - Google Patents
HalbleiterlaserInfo
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
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Description
Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Frankfurt/Main, Theodor-Stern-Kai 1
Heilbronn, den 27. Juli 1971 PT-La/nae - HN 71/62
"Halbleiterlaser"
In der heutigen Halbleitertechnik wird im wesentlichen Silizium als Halbleitermaterial verwendet, da die Siliziumtechnologie
gut beherrscht wird. Bei einigen Halbleiterbauelementen wie Gunndioden oder Halbleiterlasern ist man
jedoch gezwungen, z»B. Galliumarsenid als Halbleitermaterial
zu verwenden, da die III-V-Halbleiter besondere
Eigenschaften aufweisen, die bei den Elementhalbleitern Germanium und Silizium bis heute noch nicht zu verwirklichen
waren« Da* man die Elementhalbleitertechnik wesentlich besser beherrscht als die Verbindungshalbleitertechnik-,
v/äre es wünsehenswert, Halbleiterlaser auch auf der
Basis von Elementhalbleitern herstellen zu können*
Der Erfindimg liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Halbleiterlaser anzugeben, deren Halbleiterkörper aus Halbleiter-Πι-itprul
mit einem indirekten Bandübergang besteht und son it ζ, B, ail·; Germanium ode .iillzinia, Zur Lösung dieser
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SAD
Aufgabe wird bei einem Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper,
dessen Halbleitermaterial einen indirekten Bandübergang aufweist, nach der Erfindung vorgeschlagen,
daß der Halbleiterkörper derart ausgebildet ist, daß ein absolutes Nebenminimum des Leitungsbandes seines Halbleitermaterial s zur Erzielung direkter optischer Übergänge
zum absoluten Maximum des Valenzbandes "verschoben ist« Das absolute Minimum des Leitungsbandes rückt damit bei einem
nach der Erfindung ausgebildeten Elementhalbleiter wesentlich näher an die Stelle des Valenzbandmaximums als bei
einem bekannten Elementhalbleiter»
Nach der Erfindung ist mindestens ein absolutes Nebenminimum des Leitungsbandes aus dem Randgebiet der Brillouinzone
des Kristallgitters zu dessen Zentrum hin\ verschoben. Unter dem Kristallgitter ist das Gitter des Ausgangsmaterials
zu verstehen, das noch nicht nach der Erfindung behandelt ist.
Direkte optische Übergänge findet man bis jetzt nur bei
Halbleitern wie III-V-Verbindungen, deren absolutes Leitungsbandminimum
direkt über dem absoluten Valenzbandma—·
ximum im k-Raum (Impulsraum) entsprechend der Figur la
liegt. Der Übergang eines Elektrons unter Aussendung
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eines Photons (Lichtwelle) ist dabei ohne Impulsafagabe an
ein Phonon möglich« Die Wahrscheinlichkeit für diesen Prozeß ist verhältnismäßig groß. Demgemäß eignen sich Verbindungshalbleiter
wie ζΦB. GaAs gut zur Herstellung eines
Lasers.
Indirekte optische Übergänge haben dagegen Elementhalbleiter, da bei ihnen das absolute Minimum des Leitungsbandes
und das absolute Maximum des Valenzbandes gemäß Figur Ib im k-Raum weit auseinander liegen. Da beim indirekten Übergang
drei Teilchen beteiligt sind (Dreierstoß von Elektrpn, Photon und Phonon), ist die Wahrscheinlichkeit dieses Prozesses
relativ gering und hängt susätslich von der Phono- ·
nendichte und somit stark von der Temperatur abo
Die Verwendung von Halbleitermaterialien mit einem indirekten Bandübergang für Halbleiterlaser wird nach der Erfindung
dadurch ermöglicht, daß einzelne Seitenminima des Leitungsbandes im Impulsraum an die Stelle des Valenzbandmaximums
{V -Punkt) gemäß figur lc verschoben werden«, Dadurch werden im "indirekten Halbleitermaterial" direkte
Bandübergänge möglich.
Die Verschiebung eines absoluten Kebenminimuins des Leitungsbandes
zum absoluten Maximum des Valenzbandes nach der
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Erfindung wird beispielsweise dadurch erreicht, daß der Halbleiterkörper eine periodische Überstruktur erhalte
Unter einer periodischen Überstruktur versteht man eine periodische Änderung der Struktur des Halbleiter uppers«
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Struktur des Halbleiterkörpers in der kristallographischen Richtung
eines absoluten Nebenminimums des Leitungsbandes eines Halbleitermaterials periodisch geändert. Die Länge der
Periode wird kleiner als die mittlere freie Weglänge der Leitungselektronen im Halbleiterkörper gewählt. Die Amplitude
des Potentials der periodischen Struktur wird kleiner als der Bandabstand des Halbleitermaterials gewählt. Das
Potential der Struktur ist der energetische Einfluß auf die Elektronen«
Eine periodische Änderung der Struktur des Halbleiterkörpers
wird beispielsweise durch unterschiedliche Dotierung
oder dadurch erreicht, daß der Halbleiterkörper unterschiedlich mit Kristallbaufehlern wie Versetzungen oder
Punktfehlern versehen wird. Die Figur 2 zeigt als Beispiel eine unterschiedliche Dotierung, und zwar enthält der
Halbleiterkörper 1 zwei unterschiedlich dotierte Schichten 2 und 3, die periodisch immer wiederkehren· Unter einer
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Periode ist die Breite zweier aufeinanderfolgender Schichten 2 und 3 zu verstehen, d.h» eine Periode ist gleich Ip + lg«
Die Struktur des Halbleiterkörpers kann beispielsweise auch durch Legieren periodisch geändert werden« Im Ausführung
sb ei spiel der Figur 2 ist in dfesem Fall z«Be die
eine Schicht mit einem Nichthalbleitermaterial legiert, während die angrenzende Schicht reines Halbleitermaterial
und nichtlegiert ist» Es können jedoch auch beide Schichten 2 und 3 legiert sein, jedoch in diesem Falle unterschiedliche
Ein Halbleiterlaser mit periodischer Änderung der Struktur des Halbleiterkörpers kann beispielsweise so aufgebaut
sein, daß der gesamte Halbleiterkörper den gleichen Leitung styp aufweist und somit kein pn-übergang vorhanden ist.
In diesem Falle erhält man einen Halbleiterlaser ohne pnübergang, wie er beispielsweise in der Figur 3 gezeigt
ist. Ein solcher Halbleiterlaser ohne pn-übergang wird beispielsweise durch Licht oder einen Elektronenstrahl
angeregt*
Die Figur 4 zeigt im Gegensatz dazu einen Halbleiterlaser mit pn-fibergang, bei dem im Gegensatz zum Laser .ohne pn-Ühergang
die Elektroden 4 und 5 am Halbleiterkörper 1
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erforderlich sind, da durch einen Halbleiterlaser mit pnübergang ein Injektionsstrom geschickt werden jnuß·
Induzierte Emission von Licht beim Übergang der Elektronen vom Leitungsband des Halbleiters in dessen Valenzband
tritt bei beiden Halb 1 ei terl aser typen erst dann auf, wenn die Besetzungsdichte an Elektronen im Leitungsband so
hoch ist, daß die Inversionsbedingung ·
FT -
erfüllt ist (PL, Fv = Quasi-Ferminiveaus im Leitungs- bzw.
Valenzband, h ~f- » Energie eines Lichtquants)· Dies wird
bei den zwei oben angeführten Lasertypen auf wesentlich verschiedene Art erreicht» Bei einem Laser ohne pn-übergang
(Figur 3) durch Einstrahlen von Licht oder Elektronen auf die Oberfläche des HalbleiterkSrpers« Die einige ,um
ψ starke Emissionszone des Laserlichtes liegt in diesem Fall
direkt unter der bestrahlten Oberfläche (Figur 3). Bei einem Halbleiterlaser mit pn-übergang erhält man die Inversion
dagegen gemäß Figur 4 im Bereich des pn—Überganges
einer Diode durch einen Injektionsstrom von Ladungsträgern»
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Bei einem Halbleiterlaser mit pn-übergang wird die Struktur
des Halbleiterkörpers vorzugsweise senkrecht zum Verlauf des pn-Überganges periodisch geändert® Gemäß einer Ausführung
sform der Erfindung erstreckt sich die periodische
Strukturänderung nur auf den Bereich des pn~Übergangese
Die Gesamtlänge der. periodischen Struktur wird bei einem Halbleiterlaser mit pn-Übergsig größer oder gleich der
freien Weglänge der Elektronen- jedoch kleiner oder gleich der Ausdehnung des pn-Überganges gewählt»
Eine periodische Struktur ist im allgemeinen nur im laseraktiven Bereich des Halbleiterkörpers erforderliche Unter
einem laseraktiven Bereich versteht man bei einem Halbleiterlaser ohne pn-übergang die bestrahlte Oberflächenschicht
(Bezugsziffer 6 in Figur 3) und bei einem Halbleiterlaser mit pn-übergang den Bereich des pn-Überganges (Besugsziffer
7 in Figur 4)»
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Claims (15)
- 2139438Patentansprüche/Q.'Halbleiterlaser mit einem Halbleiterkörper, dessen Halbleitermaterial einen indirekten Bandübergang aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper derart ausgebildet ist, daß ein absolutes Nebenrainimum des Leitungsbandes seines Halbleitermaterials zur Erzielung di-™ rekter optischer Übergänge zum absoluten Maximum des Valenzbandes verschoben ist»
- 2) Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein absolutes Nebenminimum des Leitungsbandes aus dem Randgebiet der BrillouinzDne des ursprünglichen Translationsgitters zu dessen Zentrum hin verschoben ist.
- 3) Halbleiterlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadizch gekenn-| zeichnet, daß die Struktur des Halbleiterkörpers periodisch geändert ist.
- 4) Halbleiterlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des Halbleiterkörpers in der kristallographischen Richtung eines absoluten Nebenminimums des Leitungsbandes seines Halbleitermaterials periodisch geändert isto309808/0358
- 5) Halbleiterlaser nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Periode kleiner als die mittlere freie Weglänge der Leitungselektronen im Halbleiterkörper ist«
- 6) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Potentials der periodischen Struktur kleiner ist als der Bandabstand des Halbleitermaterials»
- 7) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper zur periodischen Änderung seiner Struktur unterschiedlich dotiert oder unterschiedlich mit Kristallbaufehlern wie Versetzungen oder Punktfehlern versehen ist»
- 8) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des Halbleiterkör~ pers durch Legieren periodisch geändert ist»
- 9) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bin 8, darren gekennzeichnet, daß der gea» te HaIbLo.iterkörper den cjLtii-hen Leitungstyp aufweI-:*·*j ,:r) 8 O ί- I Π J 5 B
- 10) Halbleiterlaser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen des Halbleiterkörpers nur dicht unter der bestrahlten Oberfläche periodisch geändert ist.
- 11) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper einen pnübergang aufweist.
- 12) Halbleiterlaser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des Halbleiterkörpers senkrecht zum Verlauf des pn-Überganges periodisch geändert ist.
- 13) Halbleiterlaser nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des Halbleiterkörpers nur im Bereich des pn-Überganges periodisch geändert ist·
- 14) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge der periodischen Struktur größer oder gleich der freien Weglänge der Elektronen, jedoch kleiner oder gleich der Ausdehnung des pn— Überganges ist»
- 15) Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da-■liu < h gekennzeLehne t, daß der HaLb] eiberkörper außerhalb•j 0 9 a 0 8 / 0 3 5 Üdes Bereiches des pn-überganges keine periodischen Strukturen aufweist, die kleiner sind als die freie Weglänge der Leitungselektronen«309808/0358
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