DE2304552A1

DE2304552A1 - Anordnung zur erzeugung elektromagnetischer wellen

Info

Publication number: DE2304552A1
Application number: DE2304552A
Authority: DE
Inventors: Leo Esaki; Raphael Tsu
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-05-25
Filing date: 1973-01-31
Publication date: 1973-12-06
Also published as: GB1417642A; FR2185893A1; US3746879A; FR2185893B1; JPS4929590A

Description

Böblingen, 22. Januar 1972 bu-fr/sn 2304552

Anmelderin: International Business Maphines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 971 024

Anordnung zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen im Ansprechen auf eine Eingangsstrahlung elektromagnetischer Energie unterschiedlicher Wellenlänge unter Verwendung eines Halbleiters.

Anordnungen dieser Art sind als Laser bekannt. Sie erfordern jedoch eine bestimmte Leistung der Eingangsstrahlung, die relativ hoch sein muß und zumeist impulsartig zugeführt wird. Hierbei ist es aber ausgeschlossen, eine Eingangsstrahlung zuzuführen, deren Wellenlänge im Mikrowellen-VHF- oder UHF-Bereich liegt, um im Ansprechen hierauf eine entsprechende Ausgangsstrahlung zu erhalten. Weiterhin ist die Anordnung zur Modulation oder allgemeiner zur überlagerung mehrere Eingangsstrahlungen nicht ohne weiteres in praktische befriedigender Weise möglich, da die Wellenlänge der Ausgangsstrahlung durch die zur induzierten Emission verwendete Substanz bestimmt ist; die Amplitude läßt sich dabei ohne weiteres nicht, und wenn überhaupt, nur in engen Grenzen verändern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, die bei denkbar geringem Aufwand sowohl in der Herstellung des hierzu erforder-

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_ O «Μ.

lichen Bauelementes als auch zu seinem Betrieb eine zuverlässige Erzeugung von Harmonischen, Mischung, Modulation und Tastung elektromagnetischer Wellen gestattet; indem .dem hierzu verwendeten Halbleiterbauelement die Nichtlinearität in gewünschter Charakteristik vorgegeben wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Halbleiter mit Überstrukturgitter, bestehend aus mindestens 20 abwechselnd aufeinderfolgenden Halbleiterzonen von in bezug auf " ihre Bandkantenenergie des Leitungsbandes zweierlei Art bei im wesentlichen gleichem Abstand mindestens einem Strahl elektromagnetischer Energie, dessen Frequenz unterhalb der dem Absorptionssprung entsprechenden Frequenz jedoch oberhalb der Frequenz liegt, die der Wellenlänge entspricht, die in der Größenordnung der Länge des überstrukturgitterbereichs liegt, in der Weise aussetzbar ist, daß bei Einfallen in die oberste Halbleiterzone und Eindringen bis in die unterste Halbleiterzone der Austrittsstrahl durch die oberste Halbleiterzone zurückgestrahlt wird und daß ein Filter im Strahlengang des Austrittsstrahls liegt.

Eine solche Anordnung hat den Vorteil, daß keine vorgegebene Leistung der Eingangsstrahlung überschritten zu werden braucht und außerdem lassen sich als Strahlungsquellen nicht nur optische Strahler, sondern auch Wärmestrahler, Mikrowellenstrahler und dergleichen, die mit Hilfe von Klystrons, Magnetrons und dgl. betrieben werden, erfolgreich einsetzen. Dadurch, daß der Frequenzbereich weitgehend wählbar ist, ist es auch außerdem ohne weiteres möglich. Infrarotlicht als Ausgangsstrahlung zu erhalten.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß ein elektrisches Gleichfeld zwischen oberster Halbleiterzone und unterster Halbleiterzone in abschaltbarer und/oder in veränderbarer Weise anliegt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, daß an der Einfallsstelle und an der Austrittsstelle elektromagnetischer Strahlung jeweils ein Strichgitter auf der Halbleiteroberfläche

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angebracht ist, um auf diese Weise sicherzustellen, daß die elektromagnetische Eingangsstrahlung derart in den überstrukturgitterbereich geleitet wird, daß das elektrische Feld der elektromagnetischen Welle parallel zur Longitudinalachse des überstrukturgit-terbereichs liegt. Das Ausgangsstrichgitter gewährleistet dabei, daß nur die gewünschte Frequenz in der Ausgangsstrahlung erscheint.

Die Ausgangswellenlängen richten sich natürlich danach, ob ein elektrisches Gleichfeld angelegt ist oder nicht, da ungerade Harmonische in Abwesenheit eines solchen elektrischen Gleichfeldes auftreten und sowohl ungerade als auch gerade Harmonische beim Anliegen eines elektrischen Gleichfeldes erzeugt werden.

Gleichzeitig mit diesen Harmonischen ergeben sich Wellenlängen in der Ausgangsstrahlung, die eine Summen- und Differenzwellenlänge der Eingangswellenlängen darstellen. In jedem Falle geschieht die Auswahl der gewünschten Wellenlänge in der Ausgangsstrahlung durch ein entsprechend vorgesehenes Filter.

Wie bereits gesagt, läßt sich in vorteilhafter Weise das angelegte elektrische Gleichfeld variieren, um so eine Modulation in der zweiten Harmonischen herbeizuführen, da die Intensität der zweiten Harmonischen proportional der elektrischen Feldstärke und damit der angelegten Spannung ist. Das angelegte elektrische Gleichfeld kann auch dazu dienen, den überstrukturgitterbereich vorzuspannen, um damit eine entsprechend geringere Intensität der Eingangsstrahlung vorsehen zu können.

Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet die Erzeugung von Harmonischen sehr viel größerer Intensität, d.h. Amplitude, als es unter Anwendung von Bauelementen, bestehend aus mehr oder weniger natürlich vorkommenden Substanzen, möglich ist, die eine Nichtlinearität aufweisen, die vom parabelförmigen Verlauf abweicht. Die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Anordnung beruhen auf der großen Abweichung vom parabelförmigen Verlauf der Kennlinie im überstrukturgitterbereich, der

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ja an sich schon eine Ausgangsstrahlung aufgrund eines nichtlinearen Mischungsvorgangs elektromagnetischer Wellen abzugeben vermag.

Werden mehrere Eingangsstrahlungen jeweils unterschiedlicher Wellenlänge zugeführt, wobei die Wellenlängendifferenz relativ groß ist, dann ist es dank der Erfindung möglich, aufgrund der Einwirkung von Mehrfachphotonenprozessen eine relativ langwellige Ausgangsstrahlung zu erhalten, die sich bisher nicht ohne weiteres bei Anordnungen ergeben hat, die mit herkömmlichen Halbleitern betrieben werden, welche in ihrer Nichtlinearität eine Abweichung vom parabolischen Verlauf aufweisen.

Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäße Anordnung ein relativ hohes Leistungsvermögen besitzt und dabei mit herkömmlichen Herstellungsverfahren in relativ einfacher Weise zu erstellen ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der unten aufgeführten Zeichnungen und aus den Patentansprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsge

mäßen Anordnung unter Verwendung eines überstrukturgitters,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsge

mäßen Anordnung unter Anwendung von Strichgittern auf dem überstrukturgitterbereich,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Anordnung ge

mäß der Erfindung für ein weiteres Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Anordnung gemäß

der Erfindung unter Anwendung optischer Filter und teildurchlässiger Spiegel.

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Fig. 1 zeigt einen Halbleiter mit einem überstrukturgitter 2, das auf einem N -Halbleitersubstrat 3 aufgebracht ist und mit einer transparenten Elektrode 4 versehen ist. Die transparente Elektrode 4 und das Halbleitersubstrat 3 liegen über einem Schalter 6 an einer Spannungsquelle 5. Eine Quelle 7 elektromagnetischer Energie ist unter einem bestimmten Winkel auf die transparente Elektrode 4 gerichtet, deren Ausgangsstrahl in dem überstrukturgitter reflektiert wird und nach Austritt aus der transparenten Elektrode 4 auf ein Filter 8 einfällt, das eine gewünschte Harmonische der einfallenden Energie ausblendet.

Oberstrukturgitteranordnungen der hier verwendeten Art sind bekannt und im einzelnen bereits in der USA-Patentschrift 3 626 257 beschrieben. Anordnung, Eigenschaft und Herstellung derartiger überstrukturgitter sollen hier nur insoweit beschrieben werden als es zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist.

Durch den Einbau eines überstruktürgitters 2 entsteht im Halbleiter eine periodische Bandkantenniveau-Änderung, die durch eine periodische Materialstruktur innerhalb des Halbleiters bedingt ist. Diese periodische Änderung liegt jedoch nur längs der Richtung der Achse 9 vor und nicht in anderen Richtungen.

Das überstrukturgitter 2 besteht aus einer Anzahl von aufeinanderfolgenden Zonen oder Schichten. Da periodisch zwei Zonenarten einander abwechseln, läßt sich die eine mit 2a und die andere mit 2b bezeichnen. Die Zonen 2a und 2b stellen dabei jedoch zusammen mit dem Halbleitersubstrat 3 einen monokristallinen Halbleiterkörper dar. Wie bereits gesagt, bestehen in aufeinanderfolgenden Zonen 2a und 2b des überstrukturgitters 2 unterschiedliche Bandkantenniveau-Charakteristiken, die durch die Zonenbildung im Epitaxieverfahren herbeigeführt werden.

Der in Fig. 1 gezeigte überstrukturgitter-Halbleiter läßt sich entweder durch entsprechende Dotierverfahren oder durch Legierungstechniken herstellen. Bei Anwendung von Dotierverfahren

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auf einen Germanxumhalbleiter, als typisches Beispiel, wird von einer N -Substratzone 3 ausgegangen, die durch entsprechende Phosphordotierung erstellt werden kann; Antimon oder Arsen lassen sich ebenfalls zu diesem Zweck verwenden. Dann werden jeweils im Epitaxieverfahren abwechselnd die Zonen 2a mit einer jeweiligen Verunreinigung von IO - 10 Atomen/cm vom N-Typ und die Zonen 2b ohne Störstellen epitaktisch aufwachsen gelassen. Es ergibt sich also.ein überstruktürgitter 2, das aus einer Anzahl von Zonen besteht, die zwischen N-Leitung und Eigenleitung im Germanium abwechseln. Alle Zonen 2a und 2b im gezeigten Ausführungsbeispiel haben dieselbe Breite, wobei ein Zonenpaar eine vollständige räumliche Periode des überstrukturgitters darstellt. Diese räumliche Periode ist in Fig. l mit d bezeichnet. Das Maß dieser räumlichen Periode ist dabei von großer Tragweite für die Eigenschaften des überstrukturgitters wie bereits im USA-Patent 3 626 257 erwähnt. Für die Zwecke vorliegender Erfindung liegt die räumliche Periode in ihrer Abmessung zwischen 50 und 500 S, d.h. die Zonenbreite beträgt 25 bis 250 R.

Wie bereits gesagt, werden die Zonen 2a und 2b durch entsprechendes Dotieren hergestellt und brauchen dabei nicht notwendigerweise zwischen N-Leitung und Eigenleitung zu wechseln, sondern können auch abwechselnd N - und N-leitend sein. Die sich in ihren Eigenschaften abwechselnden Zonen lassen sich auch durch abwechselnde Zonen mit N-Fremdatomen und P-Fremdatomen darstellen. Für die Erfindung allein von Bedeutung ist die Tatsache, daß sich eine periodische Bandkantenniveau-Struktur ergibt, die auf einem solchen überstrukturgitter beruht. Die sich dementsprechend ergebende Bandkantenniveauänderung im Leitungsband variiert demnach periodisch in Abhängigkeit vom Abstand im überstrukturgitter 2.

Wie bereits gesagt, ergibt sich die periodische Variation eindimensional längs der Achse 9 im überstrukturgitter 2, da in den anderen Richtungen keine wesentlichen Änderungen auftreten. Außerdem soll hervorgehoben werden, daß der Bandabstand im überstrukturgitter 2 durchweg der gleiche ist und daß sich die periodische

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Variation auf das Elektronenpotential bezieht.

Wie bereits erwähnt, läßt sich der durch die sich abwechselnden Zonen 2a und 2b gebildete überstrukturgitterbereich 2 auch durch Legierungsverfahren bilden. Wird wie zuvor entartet dotiertes Germanium als Halbleitersubstrat 3 verwendet, dann werden die sich abwechselnden Halbleiterzonen 2a und 2b in typischer Weise durch Germanium und einer. Legierung von Germanium mit Silicium gebildet. Im einzelnen bestehen die erste und die entsprechende ein über die andere folgenden Halbleiterzonen 2a aus N-leitendem Germanium und die zweite mit den entsprechend ein über die andere folgenden Halbleiterzonen 2b aus einer Legierung von Germanium mit Silicium, die sich durch die allgemeine Formel Ge₁ Si dar-

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stellen läßt. Die Germaniumsiliciumlegierung besitzt dabei einen größeren Bandabstand als Germanium allein, so daß sich auch hier wieder die gewünschte Periodizität in der Bandstruktur ergibt.

Werden Germanium und Germaniumsiliciumlegierungszonen verwendet, dann kann als typischer Wert für χ der Legierung ein Wert zwischen 0,1 und 0,2 dienen. Weitere Beispiele für Legierungen, die Verwendung finden können, sind solche aus AIII-BIV und AII-BVI-Verbindungen. So läßt sich z.B. ein überstrukturgitter 2 auf einem entartet dotierten N -Galliumarsenidsubstrat in der Weise aufbringen, daß die Zonen 2a aus N-leitendem nicht entartet dotiertem Galliumarsenid und die Zonen 2b aus der Legierung Ga₁ Al As bestehen, worin χ in typischer Weise zwischen 0,1 und 0,4 liegt. Die Galliumaluminiumarsenidlegierung besitzt dabei einen höheren Bandabstand als Galliumarsenid allein, so daß sich hiermit wiederum die gewünschte Periodizität ergibt. Je größer der Wert für χ in einer solchen Struktur ist, um so größer ist die Fluktuation der Bandkantenenergie. Andere typische Systeme werden durch Indiuraarsenid und der Legierung In Ga As-Legierung gebildet, wobei χ über einem weiten Bereich variieren kann bis zu dem Punkt, an dem die Zwischenschicht vollständig aus Galliumarsenid besteht und χ den Wert 1 einnimmt.

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Die Anordnung nach Fig. 1 enthält ein entartet dotiertes ^-Halbleitersubstrat 3, das jedoch nicht für die Betriebsweise dieser Anordnung unbedingt erforderlich ist; aber je nach der Anwendung das Anbringen ohmscher Kontakte erleichtern kann. Infolgedessen läßt sich das Substrat 3 als ein verlängerter ohmischer Kontakt an den überstrukturgitterbereich 2 ansehen. Bei Mikrowellen- und anderen Hochfrequenzanwendungen könnte es z.B. vorteilhafter sein, einen direkten Elektrodenkontakt an den überstrukturgitterbereich anzubringen. Eine solche Elektrode, die gleich der Elektrode 4 sein könnte, wird dann in für die speziell angewendete elektromagnetische Welle durchsichtiger Form gewählt, um die Energie durch die Elektrode hindurch in den überstrukturgitterbereich 2 gelangen lassen zu können und wieder hinaus. D.h. also, die gesamte Halbleiterstruktur kann aus einem überstrukturgitterbereich 2 bestehen, an den entsprechende Elektroden angebracht sind, um die gewünschte Anwendung zu gestatten.

Bisher ist die Beschreibung auf die räumliche Struktur des überstrukturgitterbereichs 2 beschränkt. Demgemäß ist lediglich eine Anzahl von sich abwechselnden Zonen erforderlich. Die Anzahl dieser Zonen und damit die Anzahl der räumlichen Perioden ist dabei ■ bedeutsam für die praktische Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung. Ganz allgemein gesagt, liegt die minimale Anzahl bei 20 und sollte vorzugsweise bei 50 solcher Zonen liegen. 50 Zonen stellen 25 räumliche Perioden dar, so daß sich eine ausreichende Wechselwirkung zwischen den Photonen und dem überstrukturgitter ergeben kann, um die gewünschte nichtlineare Charakteristik für die Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung zu erhalten.

-Wenn auch oben ausgeführt ist, daß die Halbleiterzonen 2a und 2b durch übliche Epitaxieverfahren gebildet werden, ergeben sich hierbei doch Schwierigkeiten, wenn die Schichtdicken in der Größenordnung von 25 S liegen. Es können zwar allgemein angewendete Epitaxieverfahren für ein Aufwachsen aus der Gas- oder festen Phase anwendbar sein, vorzugsweise sollten jedoch diese Epitaxieschichten in einem Hochvakuumsystem aufgebracht werden. In einem sol-

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chen Falle werden die verschiedenen zur Schichtbildung benötigten Bestandteile in getrennten Tiegeln aufbewahrt, um.dann durch ein geeignetes Verschlußsystem das epitaxiale Aufwachsen der Zonen mit den gewünschten Charakteristiken auf dem Substrat zu steuern. Ein spezielles Verfahren für den Niederschlag von Germanium und dotiertem Germanium findet sich in der USA-Patentschrift 3 361 600. Hierin wird ein Epitaxieverfahren zum Aufwachsen von Germaniumschichten bei relativ niedrigen Temperaturen beschrieben. Es findet hierbei eine Disproportionierungsreaktion bei niedriger Temperatur statt, um entsprechend dotiertes Germanium bei Temperaturen von 350 ⁰C niederzuschlagen. Die im zuletzt genannten Patent beschriebene Anordnung ist völlig in der Lage, einen überstrukturgitterbereich 2 durch epitaxiales Aufwachsen von Zonen unterschiedlichen Leitungstyps und spezifischen Widerstandswerten herzustellen. Zonen unterschiedlichen Leitungstyps werden erhalten durch Anwendung von Behältern mit einer vorgegebenen Wasserstoff-Heliummischung oder mit Wasserstoff allein, die Fremdatome unterschiedlichen Leitungstyps im vorgesehenen Maße enthalten. Außerdem lassen sich spezifische Widerstandsänderungen in einem Halbleiter gegebenen Leitungstyps durch einfache Änderung der Durchflußrate eines Verdünnungsgases im Verhältnis zur Durchflußrate eines Fremdatome enthaltenen Gases im vorgegebenen Verhältnis herstellen. Da die Niederschlagsraten gesteuert und mit genauen Werten beibehalten werden können, läßt sich der Niederschlag von dotierten und undotierten Zonen in der vorgesehenen Weise einfach durchführen, indem die Niederschlagszeit gesteuert wird und die Zufuhr der Dotierungsmittel entsprechend dosiert wird. Das vorstehend beschriebene Verfahren ist deshalb zweckmäßig, weil der Niederschlag bei relativ niedriger Temperatur erfolgt, so daß ein ungewolltes und schädliches Ausdiffundieren weitgehend vermieden wird.

An anderer Stelle ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines uberstrukturgitterbereiches vorgeschlagen. Gemäß diesem Vorschlag läßt man das Verhältnis der einen Komponente periodisch von einem vorgegebenen Maximum zu einem weiterhin vorgegebenen Minimum über eine extrem kleine Periode variieren. Für ein n-Kom-

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ponentensystem wird dies bewerkstelligt, indem eine Strömung gebildet wird, die n-1 Komponenten enthält und indem impulsartig die n-te Komponente in ein Trägergas injiziert wird, wobei abwechselnd Impulse des Trägergases in die n-1-Komponentenströmung eingebracht werden; an der Substratoberfläche wirken daher diskrete Gasstöße ein, die jeweils η-Komponenten und n-1-Komponenten enthalten. Durch Steuerung der Diffusion benachbarter Impulse und Stöße läßt sich das Verhältnis der η-ten Komponente im überstrukturgitterbereich von einem Maximum zu einem Minimum innerhalb einer extrem kleinen räumlichen Periode variieren.

Ganz allgemein gesehen sollte der überstrukturgitterbereich 2 für die Betriebswellenlängen nicht absorbierend wirken. Als oberer Grenzwert sollte die benutzte Frequenz unterhalb des fundamentalen Absorptionsabstandes des überstrukturgitterbereichsmaterials liegen. So sollte für GaAlAs die maximale Frequenz unterhalb dem 1,5 eV_tentsprechenden Frequenzwert liegen, was einer Wellenlänge von 8300 Ä entspricht. Während sich streng genommen keine untere · Grenzfrequenz definieren läßt, so ist doch festzustellen, daß die Leistungsfähigkeit der Anordnung empfindlich abnimmt, wenn die Betriebswellenlänge beträchtlich länger als die Dicke des überstrukturgitterbereichs 2 wird.

Bei Betrieb der Anordnung nach Fig. 1 kann die Quelle 7 der elektromagnetischen Strahlung von bekannter Bauart sein, wenn nur die oben erwähnten Frequenzgrenzwerte beachtet werden. So kann z.B. der Wellenlängenbereich der von der Quelle 7 abgegebenen elektromagnetischen Strahlung im sichtbaren Bereich, im Mikrowellenbereich oder im Ultraviolettbereich liegen. D.h. als Quellen 7 bieten sich Laser und Mikrowellengeneratoren, wie Klystrons und Magnetrons an. Falls erforderlich, läßt sich im Strahlengang ein geeignetes Linsensystem anwenden, um die elektro- , isavjiietische Strahlung wie gewünscht durch die Elektrode 4 in den überstrukturgitterbereich 2 einfallen zu lassen, worin dann ein nichtlinearer Mischvorgang und die Erzeugung von Harmonischen stattfindet.

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"Die einzige Voraussetzung im Zusammenhang mit der Harmonischen-Erzeugung oder dem Mischvorgang besteht darin, daß die auf den überstrukturgitterbereich 2 gerichtete elektromagnetische Strahlung zum mindesten eine elektrische Feldkomponente besitzt, die parallel zur Longitudinalachse des überstrukturgitterbereichs 2 ausgerichtet ist. Dieser Forderung wird bei der Anordnung nach Fig. 1 dadurch genügt, daß die elektromagnetische Strahlung von der Quelle 7 unter einem Winkel θ zur Elektrodenoberfläche einfällt. Unter diesen Bedingungen besitzt das elektrische Feld der einfallenden elektromagnetischen Welle eine Komponente, die parallel zur Lohgitudinalachse' 9 des OberStrukturgitterbereichs 2 liegt. Nach Eindringen in den überstrukturgitterbereich 2 über die transparente Elektrode 4, die z.B. aus In₂O₃+ 5 % SnO₂ bestehen kann, tritt die elektromagnetische Welle mit dem überstrukturgitter in Wechselwirkung; dabei tritt eine Reflexionswirkung ein, die zu einer Ausgangsstrahlung führt, die bei geöffnetem Schalter 6 eine mehr oder weniger große Anzahl von ungeraden Harmonischen der Wellenlänge der einfallenden elektromagnetischen Strahlung besitzt. Die transparente Elektrode 4 läßt sich auf den überstrukturgitterbereich 2 mit Hilfe eines reaktiven Kathodenzerstäubungsverfahrens in Sauerstoffatmosphäre auftragen, indem eine Indiumauffangkathode verwendet wird, die mit 5 Gewichtsprozenten Zinn dotiert ist, um auf diese Weise fehlstellenfreie Filmüberzüge zu erhalten; dabei wird eine Vorspannung von 50 Volt an die Anode des Kathodenzerstäubungssystems angelegt. Ein maximales Transparenzvermögen und ein optimaler spezifischer Widerstand der Elektrode 4 läßt sich erzielen, wenn die niedergeschlagene Elektrode in einer trägen Atmosphäre bei etwa 400 ⁰C für nahezu 30 Minuten aufgeheizt wird. Dieses Verfahren ist nur beispielsweise angegeben worden, da reaktive Kathodenzerstäubungsverfahren, die für die Erfindung geeignet sind, weiter an anderen Stellen beschrieben sind.

Ein an sich bekanntes Filter 8 im Strahlengang der Ausgangsstrahlung läßt nur die gewünschte Harmonische hindurchgelangen. Als verfügbare Ausgangsstrahlung ist zu nennen die Grundfrequenz

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selbst, die dritte, fünfte, siebente usw. Harmonische, deren Amplituden in entsprechend absteigender Reihenfolge auftreten, und zwar in Übereinstimmung mit der Fourierreihe. Ist der Schalter 6 geschlossen, dann liegt ein elektrisches Feld am Überstruktur- ' gitterbereich zwischen dem Substrat 3 und der transparenten Elektrode 4 in Richtung der Longitudinalachse des überstruktürgitterbereichs 2. Unter diesen Bedingungen ergeben sich beim Einwirken einer Eingangsstrahlung sowohl gerade als auch ungerade Harmonische der Grundfreguenz der Eingangsstrahlung in der Ausgangsstrahlung. Auch hier wiederum läßt sich durch ein geeignetes Filter die gewünschte Harmonische als Ausgangsstrahlung auswählen.

Bei einer Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung soll die zweite Harmonische der Grundfreguenz der Eingangsstrahlung ausgewählt werden, indem ein elektrisches Feld an den überstrukturgitterbereich 2 angelegt wird und die zweite Harmonische durch abwechselndes Schließen und öffnen des Schalters 6 hindurchgelassen bzw. an einer Abstrahlung verhindert wird. In einem anderen Anwendungsfall läßt sich die Amplitude der zweiten Harmonischen bei geschlossenem Schalter 6 modulieren, indem die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 5 in gewünschter Weise variiert wird. Die Modulationsmöglichkeit der abgegebenen Gleichspannung ist in Fig. 1 durch den schrägen Pfeil über Stromquelle 5 angedeutet. Die Intensität der zweiten Harmonischen ist dabei proportional zur angelegten Spannung. Auf diese Weise wird durch Variation des über den überstrukturgitterbereich 2 angelegten elektrischen Feldes die Amplitude der zweiten Harmonischen moduliert. Es versteht sich natürlich, daß jede geeignete Modulationsexnrichtung, die das angelegte elektrische Feld zu beeinflussen vermag, zur Modulation herangezogen werden kann. Die erforderliche Spannung zur Bereitstellung des elektrischen Gleichfeldes liegt in der Größenordnung von nur wenigen Volt, da der überstrukturgitterbereich 2 nur eine geringe Längenausdehnung besitzt, so daß sich

4 ein sehr starkes elektrisches Feld in der Größenordnung von 10 Volt/cm ausbilden kann, wenn von einer Länge des überstrukturtitterbereichs 2 von etwa 5000 S ausgegangen wird.

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Der überstrukturgitterbereich 2 läßt sich auch in anderer Weise einem elektrischen Gleichfeld aussetzen, indem nämlich die beiden Elektroden nicht die Außenflächen des Oberstrukturgitterbereichs 2, wie in Fig. 1 gezeigt, berühren. Die einzigen Erfordernisse für den Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung sind darin zu sehen, daß das elektrische Feld die erforderliche Stärke besitzt und in Richtung parallel zur Longitudinalachse des Oberstrukturgitterbereichs 2 wirksam ist.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Erfindung gezeigt, um Harmonische einer angelegten elektromagnetischen Strahlung zu erzeugen. Der einzige Unterschied zwischen der Anordnung nach Fig. 2 und der nach Fig. 1 liegt in der Ein- und Auskopplung elektromagnetischer Energie in den bzw. aus dem Oberstrukturgitterbereich 2. Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist hierzu ein Strichgitter 10 auf der Oberfläche des Oberstrukturgitterbereichs 2 angeordnet, um die aus der Quelle 7 einfallende elektromagnetische Strahlung einzukoppeln; außerdem ist ein Ausgangsstrichgitter 11 auf der Oberfläche des überstrukturgitterbereichs 2 angeordnet, um die Ausgangsstrahlung aus dem Oberstrukturgitterbereich 2 auszukoppeln. Im übrigen ist auch hier wieder der Oberstrukturgitterbereich 2 auf das N -Substrat 3 wie bereits beschrieben, aufwachsen gelassen. Außerdem ist ebenfalls auf dem gegenüberliegenden Oberflächenbereich eine transparente Elektrode 4 angeordnet. Die Strichgitter IO und 11 sind an sich bekannt und lassen sich gemäß bekannter Verfahren auftragen. Anstelle von Maskenverfahren in einem photographischen Herstellungsverfahren besteht ein weiteres gebräuchliches Verfahren darin, zwei geeignete Lichtstrahlen anzuwenden, die zur Herstellung des Strichgitters ein Hologramm aufbauen. Das Hologrammuster stellt ein vollkommenes Strichgitter dar, ohne daß irgendwelche Maskenverfahren zu seiner Herstellung erforderlich wären.

Bei Betrieb der Anordnung nach Fig. 2 fällt eine elektromagnetische Strahlung der Quelle 7 in den Oberstrukturgitterbereich 2 über das Strichgitter 10 und die transparente Elektrode 4 ein, so

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daß das elektrische Feld der einfallenden Welle parallel zur Longitudinalachse 9 des überstrukturgitterbereichs 2 liegt. Die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Welle und dem Überstrukturgitter ist genau die gleiche, wie es bei der Anordnung nach Fig. 1 der Fall ist und als Ergebnis entstehen bei Abwesenheit eines elektrischen Gleichfeldes.ungerade Harmonische der Grundfrequenz der Eingangswelle und beim Anlegen eines elektrischen Gleichfeldes ungerade und gerade Harmonische der Grundfrequenz der Eingangswelle in der Ausgangsstrahlung. Auch hier wiederum wird das ,elektrische Gleichfeld durch Anlegen der elektrischen Spannungsquelle 5 über Schaltvorrichtung 6 bereitgestellt. Wie auch in Fig. 1 dient ein geeignetes Filter 8 dazu, die gewünschte Harmonische ausfiltern zu können, z.B. die zweite Harmonische. Der einzige unterschied zur Fig. 1 liegt also darin, daß die Strichgitter 10 und 11 für die Eingangs- bzw. Ausgangsstrahlungskopplung Anwendung finden.

In Fig. 3 ist in schematischer Weise ein Frequenzmischer gezeigt, ^r der gemäß der Erfindung betrieben wird. Hierzu dienen zwei Quellen 7 und 14 elektromagnetischer Energie, die elektromagnetische Strahlungen mit den Frequenzen ωΐ, bzw. ω2 über ein an. sich bekanntes, teilweise reflektierendes Bauelement 15 und eine transparente Elektrode 4 in den überstrukturgitterbereich 2 einstrahlen. Die elektromagnetischen Strahlungen mit den Wellenlängen ωΐ und (ü2 treten in Wechselwirkung mit dem über Strukturgitter, das seinerseits aufgrund der Nichtlinearität eine kombinierte elektromagnetische Ausgangsstrahlung abgibt, deren Frequenzanteile durch die Summen- und Differenzfrequenzen der Grundfrequenzen der Eingangsstrahlung gebildet werden. Weitere Frequenzanteile werden durch die ungeraden und geraden Harmonischen der Grundfrequenzen der Eingangsstrahlung gebildet, wenn ein elektrostatisches Gleichfeld am überstrukturgitterbereich anliegt. Alle möglichen Kombinationen der Grundfrequenzen und ihrer Harmonischen treten natürlich in der Äusgangsstrahlung aus dem überstrukturgitterbereich 2 auf. Es ist aber zu beachten, daß gemischte Aus gangs Strahlungen mit anderen Frequenzkombinationen als ωΐ ± ω2 ziemlich stark gedämpft

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werden, da die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Vielfachphotonenprozessen beträchtlich geringer ist, als des von zwei Photonenprozessen. Außerdem wird darauf hingewiesen,, daß der Mischvorgang der Grundfrequenzen ωΐ und ω2 der Eingangsstrahlungen zur Bereitstellung der Summen- und Differenzfrequenzen allein von vorrangiger Bedeutung ist, speziell in bezug auf den Prozeß ωΐ - ω2. Zur Erläuterung sei angenommen, daß ωθ = 10 Hz und ωΐ = ωθ. Weiterhin sei angenommen, daß ω2 = 1,01 ωθ. Die Summenfrequenz ist dann ωΐ + ω2 = 2,01 ωθ. Die Differenz ωΐ - ω2 ergibt eine Ausgangsfrequenz 0,01 ωθ, deren zugeordnete elektromagnetische Strahlung im fernen Infrarotbereich des elektromagnetischen Strahlungsspektrums liegt.

In Fig. 3 gestattet das Filter 8 wiederum natürlich nur den Durchgang der elektromagnetischen Strahlung mit der gewünschten Wellenlänge. Aus dem vorhergehenden geht hervor, daß die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 3 in der Lage ist, elektromagnetische Ausgangsstrahlung relativ langer Wellenlänge zu erzeugen und zwar im Ansprechen auf elektromagnetische Strahlung, deren Frequenz wesentlich höher ist. Es versteht sich natürlich, daß die Quellen 7 und 14 der elektromagnetischen Strahlung variable Quellen darstellen können, die geeignet sind, relativ breitbandige Ausgangsstrahlung zu liefern, wobei dann die Strahlung mit diskreter Wellenlänge durch Abstimmung oder Filtern gewonnen werden kann. Ebenso wie in den Anordnungen nach den Fign. 1 und 2, läßt sich auch hier die Spannungsquelle 5 variieren bzw. schalten, um entweder nur ungerade Harmonische oder Mischungen der Eingarigsstrahlungen zu erhalten, die Drei-Photonen-Prozesse zur Bereitstellung entsprechender Ausgangsstrahlung aus dem überstrukturgitterbereich 2 zu gewährleisten. Wie bereits erwähnt, sind jedoch die ungeraden Harmonischen und die Drei-Photonen-Mischungen in ihrer Intensität geringer als die zweite Harmonische und die Zwei-Photonen-Mi s chungen.

In der Anordnung nach Fig. 4 wird im Unterschied zur Anordnung nach Fig. 3 zusätzlich eine Quelle 16 elektromagnetischer Energie^

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ein Absorber 17 und ein partiell reflektierendes Bauelement 18 in den Strahlengang der elektromagnetischen Strahlung von der Quelle 7 zur Einwirkung gebracht. Hierbei stellt die Quelle 16 eine Ausgangsstrahlung mit der Frequenz ω3 bereit, die zusammen mit der elektromagnetischen Strahlung der Frequenzen ωΐ und ω2 von den Quellen 7 und 14 über das teilweise reflektierende Bauelement 18 und die transparente Elektrode 4 in den Uberstrukturgitterbereich 2 eingestrahlt wird. Beim Nichtauftreten eines elektrischen Gleichfeldes am uberstrukturgitterbereich 2 sind Ausgangsstrahlungen aufgrund von Zwei-Photonen-Prozessen zu erhalten, wie z.B. ωΐ ± ω2, ü)2 ± ω3, ω3 ± u)l und die geraden Harmonischen der Grundfrequenzen der Eingangsstrahlungen. Zusätzlich sind alle beschriebenen Ausgangsstrahlungen beim Nichtauftreten des elektrischen Gleichfeldes zu erzielen. Auch hier wiederum ist die gewünschte Ausgangsstrahlung durch Anwendung eines geeigneten Filters 8 wählbar.

In Verbindung mit den oben erwähnten Drei-Photonen-Prozessen soll betont werden, daß die vorliegenden drei Eingangsstrahlungen nicht unbedingt dazu erforderlich sind, solche Prozesse herbeizuführen. So kann z.B. in Fig. 3 eine Anordnung mit nur zwei elektromagnetischen EingangsStrahlungen einen Mischungsausgang bereitstellen, wenn die Eingangsfrequenzen relativ weit auseinanderliegen, indem ein Drei-Photonen-Prozeß Anwendung findet. Unter diesen Bedingungen, bei denen zwei elektromagnetische Wellenzüge ωΐ und ω2 in Wechselwirkung mit einem Überstrukturgitter treten, können zwei Photonen bei der Frequenz ω2 und 1 Photon bei der Frequenz ωΐ in Wechselwirkung miteinander treten, um ein Ausgangsfrequenzgernisch mit ω2 ± u)2 ± ωΐ zu liefern, so daß sich als Ausgangsfrequenzen ωΐ und 2 d)2 ί ωΐ ergibt. Eine andere mögliche Wechselwirkung tritt ein, wenn ein einzelnes Photon bei der Frequenz ω2 mit zwei Photonen in Wechselwirkung bei der Frequenz ωΐ tritt, so daß sich ein Ausgangsgemisch von ω2 ± ωΐ ± ωΐ ergibt, was zu den Ausgangsstrahlungen ü)2 und 2 ω L ± ω2 führt. Letztere Wechselwirkung ist dabei am interessantesten, da sie die Erzeugung relativ langwelliger elektromagnetischer Ausgangsstrahlung ausgehend von relativ kurzwelligen EingangsStrahlungen gestattet, bei denen z.B. die eine

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eine doppelt so hohe Frequenz besitzt, wie die andere. Liegt so

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z.B. ω1 mit 5 x 10 Hz und ω2 mit 2,51 χ 10 Hz vor, dann ergibt sich dank der Beziehung 2 ω2 ± ωΐ eine Ausgangsstrahlung der Frequenz von 10,02 χ 10 Hz und von 0,02 χ 10 Hz. Die Strahlung bei letzterer Frequenz liegt im fernen Infrarotbereich und da sie sowohl die Grundfrequenz als auch d\e zweite Harmonische der anderen Eingangswellenlänge betrifft, ist somit eine elektromagnetische Strahlung .relativ hoher Intensität im Infrarotbereich zu erzielen.

Zur theoretischen Deutung der zugrunde liegenden Vorgänge, läßt sich sagen, daß die Elektronen einen bedeutsamen Anteil der Zonengrenze erreichen, wenn die Primärzone beträchtlich reduziert wird. Die Ergebnisse dieser Reduktion sind ebenfalls in der bereits genannten USA-Patentschrift 3 326 257 angeführt. Das wesentliche Resultat ist die Einführung einer großen Abweichung von der parabolischen Energiemomentbeziehung, die zu einer nichtlinearen Geschwindigkeits-Momentbeziehung führt. Unter dem Einfluß von elektromagnetischen Wellen oszilliert das Kristallmoment der Ladungsträger bei den angewandten Frequenzen, und aufgrund des nichtlinearen Geschwindigkeitsmomentes mischen sich die induzierten Ströme. Weiterhin beseitigt das angelegte elektrische Feld die Reflexionssymmetrie der E-k-Beziehungen, so daß für Wechselwirkungen eine mehr oder weniger große Anzahl von Photonen beansprucht wird. Eine ausführliche Beschreibung der zugrunde liegenden Theorie für Betrieb und Anwendung der Erfindung findet sich in einer Veröffentlichung unter dem Titel "Nonlinear Optical Response of Conduction Electrons in a Superlattice," Applied Physics Letters, Band 10, Nr. 7, 1. Oktober 1971, Seiten 246 bis 248.

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Claims

PATEN TANSPRÜCHE

Anordnung zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen im Ansprechen auf eine Eingangsstrahlung elektromagnetischer Energie unterschiedlicher Wellenlänge unter Verwendung eines Halbleiters, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiter mit Überstrukturgitter (2) , bestehend aus mindestens 20 abwechselnd aufeinanderfolgender Halbleiterzonen (2a, 2b) von in bezug auf ihre Bandkantenenergie des Leitungsbandes zweierlei Art bei im wesentlichen gleichen Bandabstand, mindestens einem Strahl elektromagnetischer Energie, dessen Frequenz unterhalb der dem Absorptionssprung entsprechenden Frequenz, jedoch oberhalb der Frequenz liegt, die der Wellenlänge entspricht, die in der Größenordnung der Länge des uberstrukturgitterbereichs (2) liegt, in der Weise ausgesetzt ist, daß bei Einfallen in die oberste Halbleiterzone und Eindringen bis in die unterste Halbleiterzone der Austrittsstrahl durch die oberste Halbleiterzone zurückgestrahlt wird, und daß ein Filter (8) im Strahlengang des Austrittsstrahls liegt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Gleichfeld zwischen oberster Halbleiterzone und unterster Halbleiterzone in abschaltbarer, insbesondere in veränderbarer Weise anliegt.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die oberste Halbleiterzone eine transparente Elektrode (4), insbesondere bestehend aus In₃O₃+ 5 % SnO₃, und an die unterste Halbleiterzone eine entartet dotierte Halbleiterzone (3) anschließt.
4. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung mehrerer Strahlungsquellen (7, 14) unterschiedlicher Frequenz (ωΐ, ω2), deren Ausgangsstrahlenwege senkrecht zueinander liegen, über halbdurchlässige Spiegel (15) ein gemeinsamer Strahlengang zum Einfall auf

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- 19 den Halbleiter bereit gestellt ist.
5. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einfallstelle und an der Austrittstelle der elektromagnetischen Strahlung jeweils ein Strichgitter (10, 11), insbesondere bestehend je aus einem Hologramm, auf der entsprechenden Halbleiteroberfläche ange- - bracht ist.
6. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens 50 abwechselnd aufeinanderfolgenden Halbleiterzonen (2a, 2b) die Zonendicke zu etwa 25 A gewählt ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die- Zonen durch Epitaxieverfahren unter Anwendung relativ niedriger Temperaturen niedergeschlagen sind.

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