DE2248712A1 - Laser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser rait eines aus einem Halbleitermaterial bestehenden Kristall*

Der bei der experimentseilen Entwicklung des Im nahen infraroten Bereich des optischen Spektrums arbeitendem GalXiuütarsenid-Lasers erzielte Erfolg hat das« geführt _f daß eine Vielzahl anderer Halbleitermaterialien für Laser vorgeschlagen und untersucht wurden, um ähnliche Resultate bei anderen Frequenzen oder sogar bessere Resultate zu erzielen» Diese Untersuchungen beschränkten sich hauptsächlich auf Halbleiter mit direkten(Energie-) Bandabständen· Ein Bandabstand ist ein direkter Bandabstand, wenn eine Kurve der Energieirapulsbeziehungen für Ladungsträger im Vaßizband und Leitungsband des Materials das kleinste Minimum des Leitungsbandes direkt oberhalb des Maximums des Vafaizbandes zeigt· Demgegenüber ist der Bandabstand indirekt, wenn das kleinste Minimum oder Tal des Leitungsbandes bei einem beträchtlichen Ladungsträgerimpulswert auftritt, -d.h., daß ein Impuls beträchtlich von demjenigen des Vafenzbandmaximums abweicht.

Das Problem bei der Gewinnung stimulierter Strahlungsemission in einem Halbleitermaterial mit indirektem Bandabstand besteht darin, daß ein auf das Leitungsbandminimum angeregter Ladungsträger nur mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit einen strah-

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1enden übergang zurück zum Valnzband bildet, da er keine geeignete Möglichkeit hat, den notwendigen Impuls zu verlieren und gleichzeitig das erforderliche Energiequantum abzugeben.

Dieses Problem wird erfindungsgeroäß dadurch gelöst, daß der aus einem Material mit indirektem Bandabstand bestehende Kristall einen bezüglich eines Hauptbestandteils des Materials isoelektronischen Dotierstoff aufweist und daß die von dem Material emittierte Strahlung eine Photonenenergie hat, welche auf die Energietrennung bzw. -abgabe aus dem Valanzband an charakteristischer Energie des isoelektronischen Dotierstoffs bezogen ist·

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer nach den Prinzipien der Erfindung aufgebauten Struktur; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer einen Injectionslaser bildenden Ausführungsforro der Erfindung.

Nach den Prinzipien der Erfindung erhöht das Vorhandensein von isoelektronischen Einfangzentren in Halbleiterkristallen mit indirektem Bandabstand, z.B. in Galliumphosphidkristallen die Wahrscheinlichkeit von strahlenden Übergängen zum Valnzband so beträchtlich, daß die stimulierte Strahlungsemission in geeigneter Welse längs einer Achse einer relativ langge-

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streckten Anregungszone im Kristall erreicht wird® Obwohl derartige Kristalle mit isoelektronischen Einfangzentren bereits früher in Elektroliralneszenzfeaueleaienten verwendet wurden, hat die Art ihrer früheren Verwendung offenbar- die Möglichkeit der stimulierten Strahltaigsemission verborgen»

Statt wie bei E lektrolumineszenz strukturen die Licbfeeaaiesion aus dem Kristall durch eine breite Hauptfläche abzuziehen« wird die Strahlung erfindungsgemäß längs einer Achse einer relativ langgestreckten Anregungszone im Kristall geführt, wobei die Achse la typischer Ausführung 'parallel zwr HauptflScht 'angeordnet 1st» Daher wird die Strahlung durch eine kleinere Flüche des Kristalls abgezogen.

Die stimuliert© Emission kohärenter Strahlung wurde in.einem Halbleiterkristall »it indirektem Bandabstand, z.B. eine» GalliuMphosphldkrlstall mit Stickstoff- oder Wlsasutatomen erzielt, welche keinen Beitrag zur LadungstrSgerkönzentratlon leisten, jedoch offensichtlich eine Strahlungsrekombinatlon freier Ladungsträger schaffen oder erleichtern, um eine stimulierte Emission kohärenter Strahlung mit niedrigem Schwellenwert und hoher Verstärkung zu ermöglichen«

Bei zwei besonderen Ausführungsforraen der Erfindung wurde Superradiant-Emlssion sichtbaren Lichts in Galliumphosphid-

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kristallen erreicht, die nit einem ultravioletten Laser" längs einer sich su einer Kante des Kristalls erstreckenden Linie optisch angeregt wurden· Grünes Licht ergab sich bei Isoelektronischen Einfangsentren aus Stickstoff in Galliuaphosphldkristallen, und gelbes Licht wurde wit ieo«lektronisehen Einfangsentren aus Wismut la Kristall erreicht. Bei Stickstoff enthaltenden KrietaIlen wurde eine optische Verstärkung bei Temperaturen zwischen 2 und 200° Kelvin ' gemessen* Die Verstärkung tritt '.«wischen. $400 und $700 It > bei 2° K auf und betrügt IQ⁴—-¹

Xm folgenden wird auf Fig. 1 Bezug genommen· Verschieden· unterschiedliche Galliumphosphidkristalle 11 wurden durc-h eine Pump- bzw· Anregungsstrahlungsquelle 12, s.B. einen gepulsten Stickstofflaser optisch angeregt· Die Ausgangsstrahlung der Quelle 12 wurde in eine langgestreckte Anre-

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gungszone 15 fokussiert, welche sich bis wenigstens einer End- bzw. Stirnfläche 13 des Kristalls 11, vorzugsweise orthogonal zur Fliehe 13 erstreckte.

Vorzugsweise verläuft die gegenüberliegende FlSche Oberfläche 14 des Kristalls parallel zur Oberfläche 13, so daß die beiden Flächen 13 und 14 einen optischen Resonator für die stimulierte Strahlungsemissloti bilden können, wenn sich die Anregungszone 15 s,wischen diesen beiden Oberflächen und orthogonal su Ihnen erstreckt·

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Die yon der AnregungsqtselIe 12

Anregungssone 15' war eine asysnetriscli gesuchtere Fläche des Kristalls 11·

Verschiedene Kristalle 11 enthalten beträchtlich® von Stickstoff oder Wis&iut, welche keinen Bedfcg-af Konzentration an freien TrSgersm ira Kristall l©£sfe@EH₂ im folgenden noch genauer erläutert werden

Es wurden Beobachtungen an Kristallen durchgeführt _ΰ welch© zuvor während der Entwicklungsarbeit aur Gewinnung von Galliumphosphid-Elektrolumineszenzbauelernenten gezüchtet wurden« Solche Kristalle hatten in der Regel iceine geeignet geglätteten parallelen Grenzflä*chen_s welche orthogonal zu einer sich längs der Längenabmessung einer Hauptfläche des Kristalls 11 erstreckenden Achse verlaufen; sie waren auch noch nicht angeregt, ζ·Β· durch die Anregungsstrahlungsquelle 12 längs der zwischen den Oberflächen 13 und 14 verlaufenden Achse, ura eine Besetzungsurakehr zu erzielen und die stimulierte Strahlungsemission in einer Anregungszone 15 zu ermöglichen. In adäquater Weise kann jedoch die Anregun-gsstrahlung von der Quelle 12 auf eine asymmetrisch gezüchtete (as-grown) Fläche, welche eine Hauptfläche des Kristalls bildet, gerichtet werden.

Ein gepulster Stickstofflaser, welcher bei einer Wellenllng« von etwa 3370 ft arbeitet, wurde als Anregungsstrah-

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lungsquelle 12 verwendet. Osirakteristisch für einen Laser dieser Art 1st es, daß sein Ausgangsstrahlenbündel einen im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt hat und daß es von einer zylindrischen Linse innerhalb der Quelle 12 fokussiert werden kann, um die Anregungszone 15 zwischen den parallelen Endflächen 13 und 14 vollständig auszustrahlen·

Außerdem erstreckt sich die Anregungszone 15 in einigen Fällen nur bis zu einem Ende des Kristalls, z.B. bis zur Oberfläche 13; dabei wurde die Länge der Anregungslinie für die Beobachtungen variiert. Die resultierende optische Verstärkung und das Vorhandensein stimulierter Emission werden geprüft bzw. festgestellt, wenn sich die Intensität der Ausgangsstrahlung bei gleichen Änderungssprüngen der Länge der Anregungszone 15 exponentiell ändert«

Bei einer Realisierung der ersten bekannten stimulierten Strahlungsexnission in einem Material mit indirekten Bandabstand war der Kristall 11 ein leicht dotiertes, aus der Dampfphase gezüchtetes Material ohne einen pn-übergang Er hatte eine Stickstoffkonzentration von angenähert 5 χ

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pro cm ; jedoch wurden ähnliche Beobachtungen für einen wei-

19 ten Bereich von Stickstoffkonzentrationen bis zu 10 pro cn und bei nach unterschiedlichen Methoden gezüchteten Kristallen, einschließlich der Züchtung aus einer Galliualösung

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und einer epitaktischen Züchtung aus der Dampfphase und der Flüssigphase, gemacht.

Es 1st darauf hinzuweisen, daß Stickstoff als Botierstoff im Kristall 11 in Bezug auf Phosphor isoelektronisch Ist und daher weder als Donator noch als Akzeptor wirkt· Er wirkt jedoch offensichtlich als Einfangzentrura für angeregte Ladungsträger und bildet ein Mittel zur Impulsab- «orbtion, das mir wirksamen Strahlung srekontbina tion von Ladungsträger* Im Kristall mit indirektem Bandabstand erforderlich 1st· Bei Betrieb der Ausführungsform gemäß FIg* 1 wurde neben der Beobachtung der weiter oben angegebenen exponentlellen Änderung der Licht-Ausgangsstrahlung festgestellt« daß die Strahlungslebensdauer weit kürzer als die früher gemessenen spontanen Strahlungslebensdauern bei ähnlichen Galllumphosphldkristallen 1st· Diese Beobachtung stiitnt «it der Erklärung überein, daß stimulierte Strahlungsenission auftritt·

Es Ist nur notwendig, die Länge der Anregungszone 15 zu vergrößern, u» ein superradiantes Ausgangsstrahlenbündel der stimulierten Strahlungsemission zu erzielen« Außerde» sollten Oszillationsschwingungen mit einer leichten Verbesserung des durch die Endflächen 13 und 14 gebildeten Resonators erzielbar sein« Diese Voraussage stützt sich auf den beobachteten niedrigen Schwellenwert für die superradiante Emission.

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Ähnliche Beobachtungen wurden bei Kristallen 11 gemacht, welche als Dotierstoff Wismut aufwiesen« Wismut ist ebenfalls isoelektronisch mit Phosphor und wirkt weder als Donator noch als Akzeptor, jedoch offensichtlich als Einfangzentrum und wirksames Rekorabinationsjsentrum. Während die Lichtemission mit Stickstoff als Dotierstoff im grünen Bereich des Spektrums liegt, wird eine hellgelbe Emission gewonnen, wenn Wismut den Dotierstoff darstellt« Bei eine· Kristall, bei dem Stickstoff- und Wismutdotierstoffe in variierenden Proportionen über den Kristall verteilt waren, führte eine Verschiebung der Anregungszone 15 su einer veränerliehen Mischung von grünen und gelben Lichtemissionen·

Es wird vermutet, daß während des Betriebs Stickstoff und Wismut-Dotierstoffe in Galllurnphosphidkristallen 11, und in der Tat ausgewählte Isoelektronische D tierstoffe in irgendeinem Kristall mit indirektem Bandabstand x". stimulierte Emission kohärenter Strahlung aus den folgenden Gründen ermöglichen. Rekombination für Ladungsträger zwischen einem Vatnzband mit einem Scheitel bei Null-Impuls wie durch ein Energie-Impulsdiagramm beschriften ist, und einen Leitungsband niedrigster Energie, dessen Scheitel bei einen beträchtlich von Null abweichenden Impulswert liegt, ist normalerweise sehr unwahrscheinlich, da die rekombinierenden Ladungsträger keine Möglichkeit haben, eine unerwünschte Komponente des relativen Impulses zu verlieren· Die

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tiefen isoelektronischen Einfangzentren schaffen diese Möglichkeit, da sich ihre Kennlinie auf dem Energie-Impulsdiagramm horizontal durch alle Impulswerte erstreckt· Mit anderen Worten, ein solches Einfangzentrum ist in der Lage, die oben erwähnte Inipulsdifferenz zu absorbieren. Experiment!eile Studien scheinen zu bestätigen, daß die Ladungsträger, Elektronen und Löcher, an den Plätzen der isoelektronischen Störstellen zur Rekombination neigen«

Es wurde eine offensichtliche Abweichung von der exponentiellen Änderung des Aüsgangslichts bei den größten Anregungslängen der Anregungszone 15 und in einem Bereich relativ hoher Anregungsintensitäten beobachtet. Diese Abweichung wird auf Sättigungseffekte zurückgeführt. Trotzdem ist die oben erläuterte Theorie spekulativ,- und daher wird ihre Genauigkeit einer weiteren Analyse unterzogen.

Es wurde eine maximale Verstärkung für einen Kristall 11

—1 mit einer Stickstoffdotierung von etwa 3500 cm bei einer Ausgangsstrahlungslänge von 5375 8 beobachtet, wobei die Intensität der der Anregungszone 15 zugeführten Anregungsstrahlung angenähert 10 Watt pro Quadrahtzentimeter betrug· Bei der maximal zur Verfügung stehenden Anregungsintensität

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von 2 χ 10 Watt pro Quadratzentiineter konnten optische Verstärkungen von mehr als 10 cm" beobachtet werden·

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Das Verstärkungsspektrum ::eigt zwei besondere Merkmale, nämlich eine große Spitze in der Nähe der Photonenenergie 2,30 eV und einen Ausläufer geringer Energie, der sich unter 2,20 eV erstreckt· Der Beginn der Spitze hoher Verstärkung tritt gerade unterhalb der Energie der Stickstoff Α-Linie in leicht dotierten Materialien auf. Diese Spitze wird in Richtung geringerer Energie verschoben, wenn die Stickstoffkonzentration vergrößert wird·

Mit steigender Temperatur nahm die Verstärkung ab; Jedoch war die Verstärkung noch bei Zimmertemperatur vorhanden· Tatsächlich ändert sich die ungesättigte Verstärkung von etwa 10⁴ cm""¹ bei 2° K bis etwa 200 cm""¹ bei 300° K. Bei Zimmertemperatur ändert sich die Emissionsintensität exponentiell mit der Anregungslänge über einen weiten Bereich, bevor eine Sättigung bei Längen in der Nähe von 1/2 mm stattfindet· Dieses Ergebnis ist natürlich zu erwarten, da bei so niedrigen Verstärkungswerten eine Sättigung nicht in dem Maße wie bei hohen Verstärkungen, gemess« bei niedrigen Temperaturen, erreicht werden kann.

Der die Gewinnung der beobachteten stimulierten Emission hervorrufende Mechanismus ist offenbar abhängig von den Vorhandensein von Stickstoff· Hierfür gibt es zweifache Gründe. Zum ersten ist zu berücksichtigen, daß das Verstärfcungsspektrum den Wellenlängenbereich zwischen der

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Stickstoff A-LInIe und der NII- Paar -Linie mit der längsten Wellenlänge spannt· Zum zweiten wurden die Messungen In Proben mit unterschiedlichen Stickstoffdichten durchgeführt. In einer reinen Probe aus GaP mit vernachlässigbarem Gehalt von Stickstoff konnte überhaupt keine Emission beobachtet werden. FiIr die Daten gemäß den Fig. 1 und 2 lag eine mittlere Stickstoffkonzentration, N- 10¹⁶ bis 10¹⁷ cm"³, vor.

to _3 Bei sehr hohen Stickstoffkonzentrationen, N~1O^X on , ist das gemessene Verstärkungsspektruni ähnlich demjenigen in Fig. 1, mit der Ausnahme, daß das Hochenergieende abgeschnitten ist· Dies könnte erwartet werden, da für diese Proben Α-Linien-Absorbtion groß Ist, und da ferner bei so hohen Konzentrationen die gebundenen Excltons dazu neigen, auf NN-Linien niedrigerer Energie zu springen. Daher spielt Stickstoff eine wesentliche Rolle bei der Erzeugung der beobachteten stimulierten Emission. Dies ist auch sinnvoll, da das Ausnäß durch den K-Raum isoelektronischer Wellenfunktionen im wesentlichen direkte Übergänge in dem indirekten GaP möglich machen könnte. Un diese Idee weiter zu untersuchen, wurde die Emission von mit Wismut (Bl) ein anderes bekanntes Isoelektronisches Einfangzentrum dotiertem GaP gemessen· Diese Proben zeigen Verstärkung im gelben Bereich von 5550 Ä bis über GOOO S hinaus, d.h. zwischen der bekannten Bi Α-Linie und der Bi-Emission der längsten Wellenlänge. Dieses Ergebnis bestätigt die vorstehenden, Stickstoff betreffenden Thesen und demonstriert

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die Bedeutung isoelektronischer Elnfangzentxen in den beobachteten stimulierten Emissionsprozessen.

Eine wesentliche Überlegung bei Spekulationen betreffend Halbleiter mit indirektem Bandabstand als mögliche Lasermaterialien Ist die relativ große intrlnsisehe Lebensdauer, welche die Erzeugung dichter Trägerbesetzungen In den Leitungs- und Valenzbändern ermöglichen. Jedoch sind die Matrixelemente für S tr ah lung silber gänge über den indirekten Bandabstand gering, und strahlungsf*rele Prozesse begrenzen die freie Träger-Besetzung· Bei der vorliegenden Arbeit rait GaP wurde dieses Problem durch Einführung Isoelektronischer Einfangzentren umgangen, welche die Rekombinationsprozesse offensichtlich dadurch beherrschen, daß sie Zonen-Zentrum-Kopplung für wirksame Strahlungsübergänge schaffen. Die Kopplung zwischen Stickstoff-Einfangzentren und Leitungsbandzuständen ist in GaP stark· Ein Nachweis hierfür wird in Absorbtionsmessungen gefunden, welche große Stickstoff-induzierte Absorbtlonsraatrlxelemente Über die Energie der Α-Linie und dem indirekten Bandabstand verlangsamen· Die Stickstoff-induzierte Absorbtion ist tatsächlich ungefähr 10 mal größer als die intrlnsisehe Absorbtion in der Nachbarschaft des indirekten Bandabstand· Außerdem ergibt sich aus Messungen von Anregungsspektren, daß freie Träger durch StickstoffZentren wirksam beseitigt werden, wobei Strahlung mit einer Energie emittiert wird, die für die StickstoffZentren charakteristisch ist· Daher

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sind mit den in indirektem Leitungsband möglichen hohen Trägerdichten und der starken Kopplung dieser sTräger
mit Stickstoffzentren zur Erzielung wirksamer Strahlungsrekombination alle Voraussetzungen für diese erste Beobachtung stimulierter Emission in einem Halbleiter mit
indirektem Bandabstand vorhanden·

Bei der einen Injektionslaser bildenden Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist der intrinsische Kristallbereich 21
ähnlich dem Kristall 11 gemäß Fig. 1· Auf dessen einander entgegengesetzten Hauptflächen sind der p-leitende Galliumphosphidkristallabschnitt 23 niedrigen spezifischen Widerstands und der η-leitende Galliumphosphid-Kristallbereich niedrigen spzifischeh V/lderstands mit Hilfe irgendeiner verfügbaren Methode gezüchtet, welche die Bereiche bzw. Abschnitte 21, 22 und 23 zu einem Einkristall vereinigen« Die Gleichstromquelle 26 liegt zwischen einem großflächigen ohmschen Kontakt 24 am Abschnitt 23 und einem ohmschen
Kontakt 25 am Abschnitt 22, um Anregungsstrom durch das Galliumphosphidelement derart zu injizieren, daß Strahlungsrekombination in der intrinsisehen Zone 21, wahr-, scheinlich rc'isoelektronischen Einfangzentren, entsteht. Eine Besetzungsumkehr ist dadurch im Kristall 21 eraielbar, und die stimulierte Emission kohärenter Strahlung kann
erreicht werden, und zwar entweder in Abhängigkeit von
einem Bingangslichtstrahlenbündel einer Wellenlänge,

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welche derjenigen der erwarteten Emission angepaßt ist, oder durch Schaffung eines geeigneten optischen Resonators mit Reflektoren 27 und 28, welche an einander gegenüberliegenden parallelen Endflächen des intrinsischen Kristalls 21 angeordnet sind·

Aufgrund der Analogie zur Betriebsweise der Ausführungsform nach Fig. 1 dürfte klar sein, daß grüne kohärente Strahlungsemission gewonnen wird, wenn der intrinsische Kristall 21 Stickstoff als Dotierstoff aufweist, und daß gelbe kohärente Strahlungsemission auftritt, wenn der Kristall 21 Wismut als isoelektronischen Dotierstoff aufweist. Weder Stickstoff noch Wismut beeinträchtigen merklich die beträchtliche intrinsische Natur des Kristalls 21.

Es sollte beachtet werden, daß die Abschnitte 22 und 23 niedrigen spezifischen Widerstandes die Wirksame Strominjektion in das Bauelement ermöglichen, so daß rekombinierende Ladungsträger durch die intrinsische Zone 21 wandern können. Es wird vorgeschlagen, daß die Dicke der Zone 21 nicht größer als etwa 1/2 Mikrometer ist.

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Claims (5)

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1.J Laser mit einem aus einem Halbleitermaterial bestehenden Material,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall aus einem Material mit indirektem Bandabstand besteht und einen bezüglich eines Hauptbestandteils des Materials isoelektronischen Dotierstoff aufweist und daß die von dem Material emittierte Strahlung eine Photonenenergie hat, welche auf die Energietrennung bzw. -abgabe aus dem Valenzband an charakteristischer Energie des isoelektronischen Dotierstoffs bezogen ist*

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anregungseinrichtung zum optischen Anregen einer HauptoberflHche des Kristalls über eine wenigstens bis su einer Kristall-Endfläche verlaufende, langgestreckte Zone vorgesehen ist, wobei die Endfläche orthogonal zur Hauptfläche verläuft·

3« Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall eine intrinsische Zone, durch die injizierte Ladungsträger v/andern körvien, und die Ladungsträgerinjektion erleichternde Abschnitte mit niedrigem spezifi-

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sehen VJId ar stand aufweist, daß zum Anregen des Kristalls eine Strom in die Abschnitte niedrigen spezifischen Widerstands zur Schaffung der Ladungsträger injizierende Einrichtung und ferner ein optischer Resonator -vorgesehen sind_t der M -hrfachdurchläuf e von emittierter Strahlung durch die im wesentlichen intrinsische Zone zur Erzielung der stimulierten Strahlungsemission hervorruft·

4. Laser nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die isoelektronische Dotierstoffkonzentration im Bereich von etwa 5 χ 10 pro Kubikzentimeter bis etwa 1 -A 10 pro Kubikzentimeter liegt.

5. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die

Anregungscinrichtung eine gepulste Quelle kohSrenter Strah-

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lung von einer Photonenenergie, welche die Handabstandsenergie übersteigt, und eine Fokusslereinrichtung zur Formung der Strahlung in ein Strahlenbündel mit rechteckigem Querschnitt aufweist, wobei das Strahlenbündel längs einer sich orthogonal zu zwei parallelen Endflachen des Kristalls erstreckenden Achse verläuft.

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