DE2401494A1

DE2401494A1 - Halbleiter-ablenkvorrichtung fuer lichtstrahlen

Info

Publication number: DE2401494A1
Application number: DE2401494A
Authority: DE
Inventors: Jacques Isaac Pankove
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-01-19
Filing date: 1974-01-12
Publication date: 1974-07-25
Also published as: US3790853A; JPS49106341A; FR2214919A1; GB1450430A

Description

DipL-fng. H. Sauerland Dn.-lrg. FI. König ■ Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte ■ 4οαα Düsseldorf ao · Cecilienallee 7S · Telefon 433732

9. Januar 1974 _o/ni/n/ 29 067 B 2401494

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N₀Y₀ 10020 (V.St.A_e)

"Halbleiter-Ablenkvorrichtung für Lichtstrahlen"

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Ablenkvorrichtung für Lichtstrahlen,

Es ist bekannt, Halbleiter zur Veränderung der Charakteristiken von durch sie hindurch geschicktem Licht zu verwenden, wobei verschiedene von der Erfindung abweichende Mittel Einsatz fanden. So wurde beispielsweise beim Stande der Technik erkannt, daß die Eigenschaften der einen pnübergang umgebenden Raumladungszpne als variable Refexionsschicht verwendet werden kann_o Dies erfolgt durch Veränderung des Randes der Raumladungsschicht von einigen 10 /Mm bis zu einem Bruchteil eines /Of m mittels einer

/ veränderbaren elektrischen Vorspannung am Übergang. Die Grenze der Raumladungsschicht bildet in wirksamer Weise einen teilreflektierenden Spiegel, dessen Lage schnell veränderbar ist. Diese Art der Lichtmodulation ist im US-Patent 3 454 843 beschrieben»

Demgegenüber zeichnet sich die erfindungsgemäße Ablenkvorrichtung für Lichtstrahlen durch einen für Licht durchlässigen, aus Halbleitermaterial bestehenden Grundkörper mit zwei gegenüberliegenden Flächen für den Lichtdurchgang und eine Einrichtung zur Erzeugung .einer steuerbaren Verteilung von überschüssigen freien Ladungsträgern innerhalb des Grundkörpers aus_e

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Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigen:

Fig_o 1 die anomale Dispersionskurve des Brechungsindex, wobei der Brechungsindex eines Halbleitermaterials · in Abhängigkeit von der Photonenenergie eines das Material durchlaufenden Lichtstrahls gezeigt ist;

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ablenkvorrichtung;

Figo 3a und 5b Seitenansichten einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ablenkvorrichtung; und

Fig, 4a bzw, 4b perspektivische Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Ablenkvorrichtung O

Die Injektion von freien Ladungsträgern in einen Halbleiter ändert dessen Brechungsindex, Freie Ladungsträger können den Brechungsindex eines Halbleiters abhängig von der Wellenlänge oder Frequenz des den Halbleiter durchlaufenden Lichtstrahls entweder erhöhen oder verringern. Freie Ladungsträger können durch Injektion, durch Elektronenbeschuß oder durch optische Anregung erzeugt werden. Überschüssige Elektronen-Löcher-Paare erhöhen den Brechungsindex in der Nähe der Absorptionskante, d«h, in der dem Energiebandabstand des speziellen Halbleitermaterials entsprechenden Zone, wo die freien Ladungsträger eine Verringerung des Absorptionskoeffizienten verursachen. Der Brechungsindex η (V ) fällt an irgendeiner Stelle im Spektrum ab„ Die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Photonenfrequenz und vom Vorhandensein von Überschuß-Ladungsträgern ist in Fig. 1 für Galliumarsenid (GaAs) dargestellt. Für GaAs hat der Energiebandabstand Eg eine Größe von etwa 1,4 eV,

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Bei einem Halbleiterlaser ändert eine Besetzungsumkehr das Vorzeichen des Absorptionskoeffizienten in einem Spektrarbereich in unmittelbarer Nahe des Energiebandabstandes, wobei optische Dämpfung in optische Verstärkung transformiert wird. Wenn dieser Effekt in die Kramers-Kroenig-BeZiehung zwischen Brechungsindex und Absorptionskoeffizient eingeführt wird, wird ersichtlich, daß ein enger Bereich von Photonenfr.equenzen besteht, bei denen der Brechungsindex ansteigt. Dieser Effekt ist ursächlich für die Begrenzung von Strahlung in Halbleiterlasern. Auf der anderen Seite zeigt die Kramers-Kroenig-Beziehung, daß der Brechungsindex bei niedrigeren Photonenfrequenzen infolge des größer werdenden Beitrags der Absorption durch freie Ladungsträger abfällt. Bei oberhalb der Absorptionskante liegenden Photonenfrequenzen hat die Beeinflussung des Brechungsindex keine Auswirkung auf die -Erfindung, weil der Halbleiter dann zu stark absorbiert, um Licht zu übertragen« Bei den höheren Photonenenergieen beeinflußt der Brechungsindex jedoch den Reflexionskoeffizienten, welcher Effekt jedoch im Rahmen der Erfindung nicht zum Tragen kommt.

Erfindungsgemäß wird die Ausbreitung eines Licht strahlenbündels durch Modulation der Konfiguration der Grenzen zwischen Zonen unterschiedlicher Brechungsindizes innerhalb des Halbleiterkristalls gesteuert. Wie gezeigt werden wird, kann diese Modulation entweder durch Verwendung einer Injektionselektrode, eines Elektronenstrahls oder eines auf den Halbleiterkristall gerichteten Lichtstrahls erzielt werden«, In jedem Fall kann die Grenze der eine hohe Konzentration von überschüssigen Elektronen-Löcher-Paaren enthaltenden Zonen festgelegt werden. Diese Begrenzung wird bestimmt durch den über die Injektionselektroden eingeführten Strom, durch die Querschnittsform des auftreffenden Elektronenstroms oder die Querschnittskonfiguration des anregenden Lichtstrahlenbündels. Das die Zone hoher Überschuß-Ladungsträger-

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dichte durchlaufende Licht tritt durch eine variable Grenze zwischen Zonen verschiedener Brechungsindizes aus dem Plasma aus. Wie sich zeigen wird, kann die resultierende Brechung als Linse zur Neigung der Lichtstrahlen, d.h. zur Ablenkung, Fokussierung oder Fächerung eines Lichtstrahls gemäß dem Snell*sehen Gesetz verwendet werden, welches besagt, daß das Verhältnis des Sinus des Auftreffwinkels zwischen einem Lichtstrahl und der Normalen zur Grenzfläche zum Sinus des Winkels •der Brechung zwischen dem LicHEtrahl und der Normalen gleich dem Verhältnis der Brechungsindizes auf beiden Seiten der Grenzfläche ist.

Nachfolgend wird auf Fig. 2 Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiter-Ablenkvorrichtung 10 für Lichtstrahlenbündel gezeigt ist. Diese Halbleiter-Ablenkvorrichtung 10 weist einen Halbleiter mit einer p-leitenden Zone 12, einer η-leitenden Zone 14 und einem zwischen der p-leitenden Zone 12 und der η-leitenden Zone 14 liegenden pn-übergang 16 auf. In die η-leitende Zone 14 erstreckt sich eine Vertiefung 18. Eine Anschlußelektrode 20 ist an der p-leitenden Zone 12 und zwei weitere Anschlußelektroden 22 und 24 sind jeweils auf einer Seite der Vertiefung an der η-leitenden Zone angeordnet. Die Halbleiter-Ablenkvorrichtung 10 besitzt eine Auftreff lache 26 und eine Übertragungsfläche 28, durch welche das Licht-in die Ablenkvorrichtung 10 ein- bzw. austritt. Wenn von der Anschlußelektrode 20 zur Anschlußelektrode 22 ein Strom durch die Ablenkvorrichtung 10 fließt, wird im Bereich des pn-Übergangs in der n-leitenden Zone eine Konzentration der Überschuß-Ladungsträgerdichte 30 erzeugt, was einen entsprechenden Gradienten des Brechungsindex zur Folge hat. Wenn ein Lichtstrahl 32 einer Frequenz unterhalb vonV/η in die Ablenkvorrichtung 10 durch deren Auftreff-Fläche 26 in einer

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Ebene mit und gerade unterhalb des pn-Übergangs 16 ein tritt, durchläuft der Strahl 32 die Konzentration von Überschuß-Ladungsträgern 30 und den zugehörigen Gradienten des Brechungsindex und wird entsprechend dem Snell¹sehen Gesetz abgelenkt, nachdem er die Konzentrationsstelle 30 von Überschuß-Ladungsträgern durchlaufen hat ο

Wenn der in die Anschlußelektrode 20 eingespeiste Strom konstant gehalten wird, während der Anschlußelektrode 24 Strom entnommen wird, verringert sich der aus der Anschlußelektrode 22 austretende Strom zugunsten eines entsprechend ansteigenden Stroms an der Anschlußelektrode 24. Dies verursacht eine Verschiebung der Konzentrationsstelle 30 von Überschuß-Ladungsträgern in Richtung auf die modulierende Anschlußelektrode 24. Als Folge tritt eine Neuverteilung der Überschuß-Ladungsträgerdichte 30a innerhalb der η-leitenden Zone 14 ein. Der Gradient des Brechungsindex wird demzufolge verschoben und der Lichtstrahl 32a abgelenkt. Die Ablenkung des Lichtstrahls 32a ändert sich in Abhängigkeit von der Größe des der modulierenden Anschlußelektrode 24 entnommenen Stroms.

In den Fig. 3a und 3b ist eine zweite Ausführungsform einer Strahlen-Ablenkvorrichtung 100 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Schicht von schwach dotiertem p-leitendem Material 112 mit zwei Anschlußelektroden 120 und 121, eine Schicht aus η-leitendem Material 114 mit zwei Anschlußelektroden 122 und 124 sowie ein zwischen der p-leitenden Schicht 112 und der n-leitenden Schicht 114 liegender pn-übergang 116 vorgesehen. Zum Betrieb dieser Ablenkvorrichtung 100 wird ein Lichtstrahl 132 quer zum pn-übergang 116 auf die Ablenkvorrichtung gerichtet. Wenn dann der Ablenkvorrichtung über die Elektroden 120 und 124 Strom zugeführt wird, wird eine

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Konzentration von freien Überschuß-Ladungsträgern 13Oa in der p-leitenden Schicht 112 und eine weitere Konzentrationsstelle von freien Überschuß-Ladungsträgern 134a in der η-leitenden Schicht 114 erzeugt. Dies hat aus den oben beschriebenen Gründen eine Ablenkung des Lichtstrahls 132a zur Folge, Die Modulation kann bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine Schaltung, bei der der gesamte oder ein Teil des Stroms durch die übrigen Elektroden 121, 122 fließt, erfolgen. In Fig. 3b ist der Strahlverlauf veranschaulicht, wenn der gesamte Stromfluß auf die Elektroden 121 und 122 geschaltet ist, wobei eine Neuverteilung von freien Überschuß-Ladungsträgern 130b in der pleitenden Zone 1-12 sowie eine Neuverteilung der freien Überschuß-Ladungsträger 134b in der η-leitenden Zone erzielt wird«, Dies führt zur dargestellten Ablenkung des Lichtstrahls 132b_e Durch Schaltung des Stromflusses in seiner Gesamtheit oder teilweise zwischen einer der Elektroden 120 und 121 auf der p-leitenden Schicht 112 und durch Schaltung des gesamten oder eines Teils des Stromflusses zwischen die Elektroden 122 und 124 auf der nleitenden Schicht 114 wird also eine Strahlablenkung erzielt. Der Lichtstrahl 132 kann insbesondere eine maximale Ablenkung in Aufwärts- oder Abwärtsrichtung haben, indem in der in den Fig. 3a und 3b gezeigten Weise ein Stromfluß diagonal durch die Ablenkvorrichtung 100 erzeugt wird. Eine maximale Abwärts-Ablenkung tritt ein, wenn der gesamte Strom zwischen den Elektroden 120 und 124 fließt, wie dies in Fig. 3a gezeigt ist, und eine maximale Aufwärts-Strahlablenkung erfolgt dann, wenn der gesamte Strom in der in Fig. 3b gezeigten Weise zwischen den Elektroden 121 und 122 fließt.

In Fig. 4a ist eine dritte Ausführungsform einer Halbleiter-Strahlablenkvorrichtung 200 gezeigt. Die Ablenkvorrichtung 200 besteht aus einem Grundkörper 210 aus

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transparentem Halbleitermaterial, beispielsweise aus Silizium, Germanium, einer II-VI Verbindung oder einer III-V Verbindung. Das Ausführungsbeispiel 200 weist darüber hinaus einen Generator 211 zur Anregung von Elektronen-Löcher-Paaren auf, beispielsweise einen Lichtstrahl 217, dessen Photonen eine größere Energie als der Halbleiter-Energiebandabstand haben, oder einen Strahl energetischer Elektronen, sowie eine für die Energie des Generators 211 undurchlässigen Maske 213, die zwischen dem Generator 211 und der Ablenkvorrichtung 200 angeorndet ist. Im Betrieb dieses Ausführungsbeispiels wird eine Anregungszone 215 erzeugt, die dem Anteil des auftreffenden Lichtstrahls 217 entspricht, der nicht durch die Maske 213 gegen den Halbleiter-Grundkörper 210 abgeschirmt wird. Infolge der Anregung wird innerhalb der Ablenkvorrichtung 200 eine der" Maskenkonfiguration entsprechende Konzentration von Überschuß-Ladungsträgern erzeugt. Für Strahlung mit Photonenfrequenzen, die niedriger sind als dem V₁ des Halbleiters entspricht, hat der Bereich hoher Konzentration von Überschußladungsträgern in der Anregungszone 215 einen niedrigeren Brechungsindex als die nicht angeregte Zone der Ablenkvorrichtung 200. Durch Wahl einer Maske 213a der gewünschten Konfiguration kann also eine Zone hoher Konzentration an Überschuß-Ladungsträgern dieser Konfiguration innerhalb des Halbleitermaterials 210 erzeugt werden. Die Ablenkvorrichtung 200 kann als Linse zur Defokussierung von Lichtstrahlen 232, 234, 236 verwendet werden, die in der in Fig. 4a gezeigten Weise auf die Eintrittsfläche des Halbleiter-Grundkörpers 210 auftreffen.

Wie in Fig. 4b gezeigt ist, kann der Halbleiter-Ablenkvorrichtung 200 in ähnlicher Weise eine abweichende Charakteristik erteilt werden, indem eine geänderte Maske 213b zwischen den Generator 211 und den Halbleiter-Grundkörper 210 gebracht wird. Für den auf dem Gebiet der Optik tätigen Fachmann ist klar, daß die Masken

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so. aufgebaut werden können, daß sie infolge einer gewählten Konfiguration Linsen mit durch die Maske bestimmten Eigenschaften bilden.

Anstelle der Verwendung einer Maske 213 kann die Form der Anregungszone 215 auch durch entsprechende Konfiguration der Erregerquelle 211 bestimmt werden. So kann beispielsweise ein Laser oder ein Elektronenstrahl in Verbindung mit geeigneten Fokussiereinrichtungen anstelle der in den Fig. 4a und 4b gezeigten Lichtquelle 211 und der Maske 213 verwendet werden.

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Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N.Y. 10020 (V.St.A.)

Patentansprüche:

Halbleiter-Ablenkvorrichtung für Lichtstrahlen, gekennzeichnet durch

a) einen für Licht durchlässigen, aus Halbleitermaterial bestehenden Grundkörper (12, 14, 16; 112, 114, 116;- 210) mit zwei gegenüberliegenden Flächen (26; 28) für den Lichtdurchgang und

b) eine Einrichtung (20, 22, 24; 120, 121, 122, 124; 211, 213) zum Erzeugen einer steuerbaren Verteilung von Überschuß-Ladungsträgern innerhalb des Grundkörpers aus Halbleitermaterial.
2. Halbleiter-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiter-Grundkörper eine erste Zone (14; 114) eines ersten Leitungstyp und eine zweite Zone (12; 112) eines zweiten, vom ersten Leitungstyp unterschiedlichen Leitungstyp aufweist, wobei zwischen der ersten Zone (14; 114) und der zweiten Zone (12; 112) ein pn-übergang (16; 116) gebildet ist und beide Zonen wenigstens je einen Anschluß aufweisen.
3. Halbleiter-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Zone (14) von einer sich in sie hineinerstreckende Vertiefung (18) zum Teil in wenigstens zwei Teilabschnitte unterteilt ist, und daß an jedem Teilabschnitt der ersten Zone (14) ein Anschluß (22, 24) vorgesehen ist.

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4. Halbleiter-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß an der ersten Zone (14) ein Paar von Anschlüssen (22, 24) vor-• gesehen ist, daß sich zwischen dem Anschlußpaar (22, 24) eine Vertiefung (18) in die erste Zone (14) hineinerstreckt, und daß an der zweiten Zone (12) ein einzelner' Anschluß (20) vorgesehen ist,
5. Halbleiter-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß sowohl an der ersten als auch an der zweiten Zone (114; 112) jeweils ein Paar von Anschlüssen (122, 124;· 120, 121) vorgesehen ist."
6. Halbleiter-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Erzeugen einer steuerbaren Verteilung von freien Überschuß-Ladungsträgern mit einem Elektronenstrahl arbeitet, der auf einen Abschnitt (215) des Grundkörpers (210) aus Halbleitermaterial auftrifft.
7. Halbleiter-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Halbleiter Grundkörper (210) und dem Elektronenstrahl eine Maske (213) vorgesehen ist, die mit einer Öffnung versehen ist, durch welche der Erregerstrahl auf den Halbleiter-Grundkörper (210}trifft, wodurch die örtliche Konzentrationsverteilung der freien Überschuß-Ladungsträger bestimmt ist.
8. Halbleiter-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Erzeugen einer steuerbaren Verteilung von freien Überschuß-Ladungsträgern mit einem Lichtstrahl (217) arbeitet, dessen Photonenenergie größer als der Halbleiter-Energiebandabstand ist.

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Halbleiter-Ablenkvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem Grundkörper (210) aus Halbleitermaterial und dem Lichtstrahl (217) eine mit einer öffnung versehene Maske (213) angeordnet ist, durch die ein Teil des Lichtstrahls auf den Halbleiter-Grundkörper (210) auftrifft, wodurch die Konfiguration der Überschuß-Ladungsträger-Konzentration im Halbleiter-Grundkörper (210) bestimmt ist.

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