DE3005536A1 - LASER EMISSION ELEMENT - Google Patents

LASER EMISSION ELEMENT

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DE3005536A1 DE19803005536 DE3005536A DE3005536A1 DE 3005536 A1 DE3005536 A1 DE 3005536A1 DE 19803005536 DE19803005536 DE 19803005536 DE 3005536 A DE3005536 A DE 3005536A DE 3005536 A1 DE3005536 A1 DE 3005536A1
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Description

Beschreibungdescription

Die Erfindung betrifft ein Lumineszenz- oder Leuchtelement und insbesondere ein Laseremissionselement.The invention relates to a luminescent or luminous element and in particular to a laser emission element.

Es wurden bereits verschiedene Laserarten entwickelt und als optische Quelle oder optischer Verstärker für optische Kommunikations- oder Nachrichtensysteme, optische integrierte Schaltungen (integrierte Optik) oder für optische Datenverarbeitung untersucht .Various types of lasers have already been developed and used as optical source or amplifier for optical communication or message systems, optical integrated circuits (integrated optics) or for optical data processing.

Als optische Quelle oder optischer Verstärker in den oben erläuterten Systemen werden in einen Halbleiterlaser für dessen Brauchbarkeit hohe Erwartungen gesetzt, und Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten wurden unternommen, diesen praktisch verwendbar zu machen, da er in den Abmessungen kleiner ist und in einem festen Zustand hergestellt werden kann.As an optical source or optical amplifier in those discussed above High expectations are placed on a semiconductor laser for its usefulness, and research and systems Development activities have been undertaken to make this practical because it is smaller in size and can be made in a solid state.

Im Halbleiterlaser, z.B. im Junction- oder Grenzschicht-Laser mit Heterojunction wird Laseremission erhalten, indem Licht nach außen entnommen wird, das während der Rekombination von über die Grenzschicht injizierten Elektronen und von positiven Löchern stimuliert wird. Um demgemäß die Emissionswirksamkeit zu erhöhen, ist es absolut erforderlich, einen Halbleiterkristall vorzubereiten, der einkristallin und hervorragend im Kristallzustand ist. Der Herstellungsprozeß eines derartigen Halbleiterkristalles ist extrem kompliziert, was empfindliche Herstellungssteuerungen erfordert. Somit ist der Herstellungsaufwand beträchtlich hoch.In the semiconductor laser, e.g. in the junction or boundary layer laser with heterojunction, laser emission is obtained by adding light to the outside, that occurs during the recombination of electrons injected via the boundary layer and positive electrons Holes is stimulated. Accordingly, in order to increase the emission efficiency, it is absolutely necessary to use a semiconductor crystal which is single crystal and excellent in crystal state. The manufacturing process of such a semiconductor crystal is extremely complex, requiring sensitive manufacturing controls. Thus, the manufacturing effort is considerable high.

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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein vorzugsweise rote Laserstrahlung emittierendes Laseremissionselement anzugeben, das mit verringertem Aufwand herstellbar und für den herkömmlichen Halbleiterlaser einsetzbar ist; dieses Laseremissionselement soll insbesondere Strahlung mit einem Spitzenwert einer schmalen Halbwertsbreite bzw. eines schmalen Profils bei normaler Temperatur im Vergleich mit dem herkömmlichen Halbleiterlaser einfach abgeben.It is therefore the object of the invention to provide a preferably red laser radiation specify emitting laser emission element that can be produced with reduced effort and for the conventional Semiconductor laser can be used; this laser emission element should in particular radiation with a peak value of a narrow Half width or a narrow profile at normal temperature in comparison with the conventional semiconductor laser just hand in.

Diese Aufgabe wird bei einem Laseremissionselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention in a laser emission element according to the preamble of claim 1 by the in its Characteristic part specified features solved.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.Advantageous developments of the invention are in the claims 2 to 4 indicated.

Die Erfindung ermöglicht ein Laseremissionselement, das wirksam als optische Quelle oder Verstärker für optische Kommunikationssysteme oder optische integrierte Schaltungen anwendbar ist. Weiterhin ermöglicht die Erfindung ein Festkörper-Laseremissionselement, das in den Abmessungen kleiner ist und in einem dünnen Film herstellbar ist, um einfach behandelt und in verschiedene optische Systeme eingebaut zu werden. Außerdem kann das erfindungsgemäße Laseremissionselement durch einfache Fertigung und Herstellungssteuerung bei verringertem Fertigungsaufwand hergestellt werden.The invention enables a laser emitter element to function effectively as an optical source or amplifier for optical communication systems or optical integrated circuits is applicable. Furthermore, the invention enables a solid-state laser emission element, which is smaller in size and can be fabricated in a thin film to be easily handled and divided into various optical systems to be incorporated. In addition, the laser emission element according to the invention can be easily manufactured and Manufacturing control can be produced with reduced manufacturing costs.

Die Erfindung sieht somit ein Laseremissionselement vor, das monokristallines Zinkoxid (ZnO) aufweist, dem eine kleinere Menge an Lithium (Li) zugesetzt ist, um dadurch ein im Energieband schmales Fremdstoffniveau im Zinkoxid (ZnO) zu bilden. Das ZnO-Laseremissionselement nach der Erfindung strahlt insbesondere rote Laserstrahlung mit einer Spitzenwert-Wellenlänge von ca. 695 nm bei Raumtemperatur ab, indem positiv das Fremd-The invention thus provides a laser emission element which has monocrystalline zinc oxide (ZnO), which is a smaller one Amount of lithium (Li) is added to thereby form a narrow level of foreign matter in the zinc oxide (ZnO) in the energy band. The ZnO laser emission element according to the invention is particularly radiant red laser radiation with a peak value wavelength of approx. 695 nm at room temperature, in that the foreign-

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Stoffniveau verwendet wird.Substance level is used.

Die Erfindung sieht also ein Laseremissionselement aus monokristallinem Zinkoxid vor, dem Lithium zugesetzt ist, um ein Fremdstoffniveau zu bilden, das ein extrem schmales Energieband hat. Das Laseremissionselement emittiert insbesondere rote Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 0,695 pm durch Übergang zwischen einen durch ein Vo~ - Zentrum gebildeten metastabilen Niveau und einem durch Li gebildeten Grundzustand.The invention thus provides a monocrystalline laser emission element Zinc oxide, to which lithium is added to form a level of impurities that has an extremely narrow energy band Has. The laser emission element emits in particular red laser radiation with a wavelength of 0.695 pm through transition between a metastable level formed by a Vo ~ center and a ground state formed by Li.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated below with reference to the drawing, for example explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Beispieles einer Vorrichtung für ein reaktives Agglomeratstrahl-Abscheidungsverfahren, das zum Herstellen des erfindungsgemäßen Laseremissionselements geeignet ist;1 shows a schematic representation of an example of an apparatus for a reactive agglomerate jet deposition process, which is suitable for manufacturing the laser emission element of the present invention;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Beispieles einer Vorrichtung zum Messen der Kennlinie der Emissionsspektrum-Empfindlichkeit eines Laseremissionselementes nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;2 shows a block diagram of an example of a device for measuring the characteristic curve of the emission spectrum sensitivity a laser emission element according to an embodiment of the invention;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Lichtwellenlänge und der relativen Lichtstärke des erfindungsgemäßen Laseremissionselements;Fig. 3 is a diagram for explaining the relationship between the light wavelength and the relative luminous intensity of the invention Laser emission element;

Fig. 4 ein dreidimensionales Diagramm mit der Kennlinie der spektralen Empfindlichkeit der Emission in einem Bereich, in dem eine scharfe Emission beobachtet wird;4 shows a three-dimensional diagram with the characteristic curve of the spectral sensitivity of the emission in a region, in which a sharp emission is observed;

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Beschleunigungsspannung und der Lichtstärke des erfindungsgemäßen Laseremissionselements; undFig. 5 is a diagram for explaining the relationship between the accelerating voltage and the luminous intensity of the present invention Laser emission element; and

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Figuren 6(a) bis 6(d) tatsächliche Anordnungen des erfindungsgemäßen Laseremissionselementes.Figures 6 (a) to 6 (d) actual arrangements of the invention Laser emission element.

Das vorliegende ZnO-Laseremissionselement kann durch verschiedene Methoden hergestellt werden. In einem Ausführungsbeispiel, das weiter unten beschrieben ist, wird das ZnO-Laseremissionselement durch ein Agglomeratstrahl-Abscheidungsverfahren mit reaktiven ionischen Agglomeraten hergestellt, das vorzugsweise anwendbar ist, um eine einkristalline Dünnschicht zu bilden, und dem einfach Fremdstoffe zusetzbar sind.The present ZnO laser emission element can be implemented by various Methods are made. In one embodiment, which is described below, the ZnO laser emission element produced by an agglomerate jet deposition process with reactive ionic agglomerates, the is preferably applicable to form a single crystal thin film and to which foreign matter can be easily added.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für das erwähnte Agglomeratstrahl-Abscheidungsverfahren nach der Erfindung. In Fig. 1 ist ein geschlossener Tiegel 1 gezeigt, der mit einer oder mit mehreren Düsen 1a ausgestattet ist. Der Tiegel 1 enthält zu verdampfende Materialien 2, wie z.B. Zink (Zn) und Lithium (Li) im vorliegenden Ausführungsbeispiel. In diesem Fall ist es möglich, zwei Tiegel vorzuziehen, deren jeder Zn und Li enthält.Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus for the aforementioned agglomerate jet deposition process according to Invention. 1 shows a closed crucible 1 which is equipped with one or more nozzles 1a. Of the Crucible 1 contains materials 2 to be evaporated, such as zinc (Zn) and lithium (Li) in the present exemplary embodiment. In In this case, it is possible to prefer two crucibles each of which contains Zn and Li.

Ein Substrathalter 3 hält ein Substrat 4, das gegenüber der Düse la des Tiegels 1 positioniert oder justiert ist. Eine Kathode 5 ist auf dem Weg des aus der Düse 1a austretenden Dampfes vorgesehen und kann bei Erwärmung Thermionen emittieren. Eine Ionisationselektrode 6 wird auf einem positiven Potential bezüglich der Kathode 5 gehalten und kann die von der Kathode 5 emittierten Elektronen beschleunigen, wodurch diese auf den Dampf auftreffen, so daß der Dampf ionisierbar ist. Weiterhin ist eine Beschleunigungselektrode 7 zum Beschleunigen des ionisierten Dampfes vorgesehen. Ein Verschluß oder eine SperreA substrate holder 3 holds a substrate 4 which is positioned or adjusted with respect to the nozzle 1 a of the crucible 1. A cathode 5 is provided on the path of the steam emerging from the nozzle 1a and can emit thermions when heated. One The ionization electrode 6 is kept at a positive potential with respect to the cathode 5 and can be that of the cathode 5 accelerate emitted electrons, whereby they hit the vapor, so that the vapor can be ionized. Farther an accelerating electrode 7 is provided for accelerating the ionized vapor. A lock or a lock

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schirmt das Substrat 4 vor dem Bombardement des Dampfes ab, wenn dies erforderlich ist. Eine Heizeinrichtung 9 ist in der Nähe des Tiegels 1 vorgesehen und kann den Tiegel 1 erwärmen, um das Material 2 zu verdampfen. In der Nähe der Düse 1a gibt es ein Gaszufuhrrohr 11 mit einer Gassprühdüse 11a an seinem Abschlußende, das zur Düse 1a gerichtet ist. Das Gaszufuhrrohr 11 führt ein Gas zu, das zu dem aus der Düse 1a austretenden Dampf reaktiv ist. Eine.Heizeinrichtung 12 dient zum Erwärmen des Substrates 4. Eine (nicht gezeigte) Glas- oder Vakuumglocke nimmt alle oben erwähnten Bauteile unter einer Hochvakuumatmosphäre auf.shields the substrate 4 from the bombardment of the steam, if necessary. A heating device 9 is provided in the vicinity of the crucible 1 and can heat the crucible 1, to evaporate the material 2. Near the nozzle 1a there there is a gas supply pipe 11 with a gas spray nozzle 11a on its Final end facing nozzle 1a. The gas supply pipe 11 supplies a gas corresponding to that exiting from the nozzle 1a Steam is reactive. Eine.Heizeinrichtung 12 is used for heating of the substrate 4. A bell jar or vacuum bell (not shown) takes all of the above-mentioned components under a high vacuum atmosphere on.

Im folgenden wird ein praktisches Beispiel des durch die oben erläuterte Vorrichtung hergestellten erfindungsgemäßen ZnO-Laseremissionselementes näher beschrieben.The following is a practical example of the ZnO laser emission element of the present invention manufactured by the above-mentioned apparatus described in more detail.

Zunächst werden die Materialien 2, die aus einem hochreinen Zn und einem metallischen Lithium bestehen, das in einem Bereich von 0,001 Gew.-% bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% bezüglich des Zn ist, in den Tiegel 1 gebracht, und der Tiegel 1 wird durch die Heizeinrichtung 9 erwärmt, um das Material 2 zu verdampfen. Das aus einem monokristallinon Saphir bestellende Substrat 4 wird auf dem Substrathalter 3 befestigt.First, the materials 2, which are composed of a high-purity Zn and a metallic lithium, which are in a range from 0.001% by weight to 10% by weight, preferably 0.1% by weight to 0.5% by weight with respect to the Zn, is brought into the crucible 1, and the crucible 1 is heated by the heating device 9 in order to evaporate the material 2. The one made from a monocrystalline sapphire The substrate 4 to be ordered is attached to the substrate holder 3.

In diesem Fall wird der Tiegel 1 so erwärmt, daß der DampfdruckIn this case, the crucible 1 is heated so that the vapor pressure

2 innerhalb des Tiegels 1 wenigstens 10 -fach so hoch wie der Atmosphärendruck um den Tiegel 1 ist. D.h., die Temperatur zum Erwärmen des Tiegels 1 wird so gesteuert, daß der Dampfdruck innerhalb des Tiegels 1 wenigstens in einem Bereich von 0,1 Pa bis 100 Pa (10 Torr bis 1 Torr) liegt, wenn der Atmosphärendruck um den Tiegel 1 nach der Zufuhr des reaktiven Gases vom2 inside the crucible 1 is at least 10 times as high as the atmospheric pressure around the crucible 1. That is, the temperature for Heating of the crucible 1 is controlled so that the vapor pressure within the crucible 1 is at least in a range of 0.1 Pa to 100 Pa (10 Torr to 1 Torr) when the atmospheric pressure around the crucible 1 after the supply of the reactive gas from

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Gaszufuhrrohr 11 ca. 10 Pa bis 1 Pa (10 Torr bis 10 Torr)Gas supply pipe 11 approx. 10 Pa to 1 Pa (10 Torr to 10 Torr)

beträgt. Im Agglomeratstrahl-Abscheidungsverfahren ist es zweckmäßig, daß die Druckdifferenz zwischen dem Dampfdruck im Tiegel 1amounts to. In the agglomerate jet deposition process, it is useful to that the pressure difference between the vapor pressure in the crucible 1

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und dem Atmosphärendruck um den Tiegel 1 so hoch als möglich ist.and the atmospheric pressure around the crucible 1 is as high as possible.

Die im Tiegel 1 erwärmten und verdampften Materialien 2 werden über die Düse 1a in den Außonraum des Tiegels 1 ausgestoßen, der auf einem Hochvakuum gehalten ist. Beim Ausstoßen sind die verdampften Materialien einer Unterkühlung ausgesetzt, die durch deren adiabatische Ausdehnung hervorgerufen ist, und deren Atome werden lose miteinander durch van der Waals'sche Kräfte verbunden, wobei eine Anzahl von Agglomeraten entstehen, die jeweils gewöhnlich aus ca. 500 bis 2.000 Atomen · bestehen, denen eine große kinetische Energie bei Ausstoßen aus der Düse 1a erteilt wird, so daß sie zum Substrat 4 fliegen.The materials 2 heated and vaporized in the crucible 1 are ejected through the nozzle 1a into the outer space of the crucible 1, which is kept on a high vacuum. During ejection, the evaporated materials are exposed to supercooling, the caused by their adiabatic expansion, and their atoms are loosely related to each other by van der Waals' Forces connected, resulting in a number of agglomerates, each usually made up of approx. 500 to 2,000 atoms exist, which are given a large kinetic energy when ejected from the nozzle 1a, so that they to the substrate 4 to fly.

Wie oben erläutert wurde, ist die Gaszufuhrdüse 11a das Gaszufuhrrohres 11 zur Düse 1a des Tiegels 1 gerichtet. Das Gaszufuhrrohr 11 speist eine kleine Menge an Sauerstoff-(0?)-Gas in den von der Düse 1a ausgestoßenen Dampf, und der sich ergebende Dampf fliegt zum Substrat 4. Der Druck in der Vakuumglocke nach der Einführung des Sauerstoff-Gases beträgt vorzugsweiseAs explained above, the gas supply nozzle 11 a, the gas supply pipe 11, is directed towards the nozzle 1 a of the crucible 1. The gas supply pipe 11 feeds a small amount of oxygen (0 ? ) Gas into the steam ejected from the nozzle 1a, and the resultant steam flies to the substrate 4. The pressure in the bell jar after the introduction of the oxygen gas is preferably

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ca. 10 Pa bis 1 Pa (10 Torr bis 10 Torr), wie dies oben erläutert wurde, und es ist zweckmäßig, daß die Agglomerate, in die das Sauerstoff-Gas eingeführt ist, innerhalb der Vakuumglocke nicht gebrochen werden.about 10 Pa to 1 Pa (10 Torr to 10 Torr), as explained above, and it is appropriate that the agglomerates, into which the oxygen gas is introduced, inside the bell jar not be broken.

Die aus Zn- und Li-Dampf und aus O2 -GaS bestehenden Agglomerate werden mit einem Strahl von Elektronen beschossen, die vom Heizdraht 5 emittiert und durch die Ionisationselektrode 6 während des Durchganges durch den Raum der Ionisationselektrode 6 beschleunigt sind, um dadurch einzelne Atome der Agglomerate zur Bildung von ionisierten Agglomeraten zu ionisieren. Die ionisierten Agglomerate fliegen zum Substrat 4 zusammen mit einemThe agglomerates consisting of Zn and Li vapor and O 2 - GaS are bombarded with a beam of electrons which are emitted by the heating wire 5 and accelerated by the ionization electrode 6 during the passage through the space of the ionization electrode 6, thereby forming individual atoms ionize the agglomerates to form ionized agglomerates. The ionized agglomerates fly to the substrate 4 together with one

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02-lon, nicht ionisierten Agglomeraten und O3/ während sie durch die Wirkung eines elektrischen Feldes beschleunigt sind.0 2 -lon, non-ionized agglomerates and O 3 / while they are accelerated by the action of an electric field.

Die Beschleunigungselektrode 7 liegt an einer hohen Beschleunigungsspannung, die bezüglich des Tiegels 1 negativ ist, und die ionisierten Agglomerate erhalten kinetische Energie durch die Boschlouniguncjsspannunq, um auf das Substrat 4 zusammen mit den neutralen Agglomeraten und O2 aufzutreffen. Wenn die ionisierten Agglomerate mit dem Substrat 4 zusammenstoßen, zerfallen die ionisierten Agglomerate in einzelne atomare Partikel, die sich aufgrund der sogenannten Oberflächenwanderungseffekte /The accelerating electrode 7 is due to a high accelerating voltage which is negative with respect to the crucible 1, and the ionized agglomerates receive kinetic energy from the Bosch voltage to strike the substrate 4 together with the neutral agglomerates and O 2 . When the ionized agglomerates collide with the substrate 4, the ionized agglomerates disintegrate into individual atomic particles, which are due to the so-called surface migration effects /

die aufgrund des Agglomeratstrahl-Abscheidungsverfahrens und der chemischen Wirkung des in die Agglomerate eingeführten 02~Gases auftreten, auf dem Substrat 4 bewegen, um das epitaktische Wachstum des hochkristallinen, mit Li versehenen ZnO-Filmes 13 zu erleichtern.which occur due to the agglomerate jet deposition process and the chemical effect of the O 2 gas introduced into the agglomerates, move on the substrate 4 in order to facilitate the epitaxial growth of the highly crystalline ZnO film 13 provided with Li.

Bei dem Agglomeratstrahl-Abscheidungsverfahren mit reaktiven ionisierten Agglomeraten kann das epitaktische Wachstum selbst bei einer derart niederen Substrattemperatur wie ca. 200°C wegen der aktivierten oder angeregten Reaktion befriedigend erfolgen, die auf der Ionisation von Zn, Li und O- und der schnellen Einspritzgeschwindigkeit der Agglomerate oder deren Teile beruht, die durch den Zn- und Li-Dampf gebildet und vom Tiegel 1 ausgestoßen werden. Zusätzlich kann der epitaktisch gewachsene ZnO-FiIm 13, der auf seiner Oberfläche extrem glatt ist, aufgrund der Wanderungsenergie (Oberflächen-Diffusions-Energie während der Dampfabscheidung) der Agglomerate erhalten werden.In the agglomerate jet deposition process with reactive ionized agglomerates can undergo epitaxial growth even at a substrate temperature as low as about 200 ° C due to the activated or excited reaction that takes place on the ionization of Zn, Li and O- and the rapid injection speed of the agglomerates or their parts is based, which are formed by the Zn and Li vapor and from Crucible 1 are ejected. In addition, the epitaxially grown ZnO film 13, which is extremely smooth on its surface is due to the migration energy (surface diffusion energy obtained during the vapor deposition) of the agglomerates will.

Erfindungsgemäß wird der epitaktisch gewachsene ZnO-FiIm 13 hoher Qualität durch die Dampfabscheidung unter den folgenden Bedingungen erzeugt:According to the invention, the epitaxially grown ZnO film 13 high quality by the vapor deposition among the following Conditions generated:

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Düsenanzahl in Tiegel:Number of nozzles in crucible:

Für die Ionisation vom Heizfaden 5 emittierter Elektronenstrom Electron current emitted by the filament 5 for the ionization

An der Beschleunigungselektrode 7 liegende Beschleunigungsspannung Accelerating voltage applied to the accelerating electrode 7

Heiztemperatur des Substrates: Heating temperature of the substrate:

Vakuum um Tiegel 1 nach Einführung des O^-Gases durch das Gaszufuhrrohr 11:Vacuum around crucible 1 after introducing the O ^ gas through the gas supply pipe 11:

Einsone

250 mA bis 300 mA250 mA to 300 mA

0 bis 7 kV 200°C bis 300°C0 to 7 kV 200 ° C to 300 ° C

0,05 bis 0,1 Pa0.05 to 0.1 Pa

(4 bis 8 χ 10 Torr)(4 to 8 χ 10 Torr)

Das erfindungsgemäße ZnO-Laseremissionselement wird unter der oben erläuterten Bedingung erzeugt. Um eine spektrochemische Analyse des Emissionsspektrums zur Prüfung der Eigenschaften oder Kennlinien des so erzeugten ZnO-Filmes durchzuführen, wird dieser durch Elektronenstrahlen angeregt.The ZnO laser emission element according to the invention is under the generated above condition. To a spectrochemical To carry out analysis of the emission spectrum to test the properties or characteristics of the ZnO film produced in this way this excited by electron beams.

In Fig. 2, die schematisch eine Vorrichtung zum Durchführen der spektrochemischen Analyse zeigt, ist ein ZnO-Laseremissionselement 21 vorgesehen, dem Li zugesetzt ist und das durch den oben beschriebenen Prozeß hergestellt ist. Das Laseremissionselement 21 wird durch Elektronenstrahlen angeregt, die von einem Elektronenstrahlerzeuger 22 emittiert sind. Der Elektronenstrahlerzeuger 22 ist mit einer Hochspannungsquelle 23 verbunden, die die Ausgangsspannung steuern kann, um den Elektronenstrahlerzeuger innerhalb eines Bereiches von 0 V bis 20 kV anzusteuern. Die Emission oder Strahlung vom Laseremissionselement 21 strahlt auf einen Gitter-Monochromator ein, um die spektrochemische Analyse des Emissionsspektrums durchzuführen. Weiterhin sind vorgesehen eine Fotoelektronen-Verstärkerröhre 25, ein Verstärker 26 zum Verstärken des Ausgangssignales von der Fotoelektronen-Verstärkerröhre 25, ein Mitnahmeverstärker 27 zum Herausnehmen von Signalen aus dem Ausgang des Verstärkers 26 undIn Fig. 2, which schematically shows an apparatus for performing the spectrochemical analysis, is a ZnO laser emission element 21 is provided to which Li is added and which is produced by the above-described process. The laser emission element 21 is excited by electron beams from an electron gun 22 are issued. The electron gun 22 is connected to a high voltage source 23 which can control the output voltage to drive the electron gun within a range of 0 V to 20 kV. The emission or radiation from the laser emission element 21 radiates on a grating monochromator to the spectrochemical Perform analysis of the emission spectrum. A photoelectron amplifier tube 25, an amplifier, is also provided 26 for amplifying the output signal from the photoelectron amplifier tube 25, a take-out amplifier 27 for taking out of signals from the output of amplifier 26 and

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zum Verstärken der Signale, ein Schreiber 28 und eine Gleichstrom-Hochspannungsquelle 29 zum Ansteuern der Fotoelektronen-Verstärkerröhre 29. Weiterhin sind elektrooptische Impulsgeneratoren 30 und 31 zum Erzeugen von AnsteuerSignalen für den Mitnahmeverstärker 27 bzw. einen optischen Impulsempfänger vorgesehen. for amplifying the signals, a writer 28 and a direct current high voltage source 29 for controlling the photoelectron amplifier tube 29. Furthermore, there are electro-optical pulse generators 30 and 31 for generating control signals for the driver amplifier 27 or an optical pulse receiver is provided.

Die Kennlinien der spektralen Empfindlichkeit des Emissionsspektrums des Laseremissionselementes 21, die durch das in Fig. 2 gezeigte Meßinstrument erhalten sind, werden anhand der Fig. 3 im folgenden näher erläutert.The characteristics of the spectral sensitivity of the emission spectrum of the laser emission element 21 obtained by the measuring instrument shown in FIG. 2 are illustrated with reference to FIG explained in more detail below.

in Fig. 3 ist die Lichtwellenlänge auf der Abszisse und die relative Lichtstärke auf der Ordinate aufgetragen. Eine VoIllinienkurve (a) stellt die Kennlinie des Lasercmissionselcmentes 21 nach der Erfindung dar, und eine Strichlinienkurve (b) gibt die Kennlinie des Substrates aus dem einkristallinen Saphir an, der für Vergleichszwecke gemessen wird.in Fig. 3, the light wavelength is on the abscissa and the relative Luminous intensity plotted on the ordinate. A full line curve (a) represents the characteristic of the laser emission element 21 according to the invention, and a broken line curve (b) indicates the characteristic curve of the substrate made of single-crystal sapphire, which is measured for comparison purposes.

Das in Fig. 2 gezeigte Laseremissionselement 21 wird durch Verdampfen von mit Li versehenem ZnO vorbereitet, das auf der (1102)-Ebene des Saphirsubstrates 4 mittels der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung unter solchen Bedingungen niederzuschlagen ist, daß der Ionisationsstrom zum Ionisieren der Agglomerate aus den von der Düse 1a ausgestoßenen Materialien 2 und dem von der Gaszufuhrdüse eingespeisten reaktiven Gas 300 mAThe laser emission element 21 shown in Fig. 2 is made by evaporation prepared by ZnO provided with Li, which is formed on the (1102) plane of the sapphire substrate 4 by means of that shown in FIG Device is to be deposited under such conditions that the ionization current to ionize the agglomerates of the materials 2 ejected from the nozzle 1a and the reactive gas 300 mA fed from the gas supply nozzle

beträgt/daß die Beschleunigungsspannung an der Beschleunigungselektrode 7 den Wert 7 kV hat, und daß die Temperatur des durch die Wärmequelle 12 erwärmten Substrates 4 gleich 23O°C ist. Die so erhaltene Filmdicke ist ca. 0,35 pm, und der elektrische Widerstandswert beträgt ca. 10-Ώ-; aus der Röntgenstrahl-Sperr- oder Verriegelungskurve vor der Messung der Kennlinie der spektralen Empfindlichkeit des Emissionsspektrums und dem "RHEED"-Muster wird erkannt, daß die C-Achse von ZnO im wesentlichenis / that the acceleration voltage at the acceleration electrode 7 has the value 7 kV, and that the temperature of the through the heat source 12 of heated substrate 4 is 230 ° C. The so the film thickness obtained is about 0.35 μm, and the electrical resistance value is about 10-Ώ-; from the X-ray blocking or locking curve before the measurement of the characteristic curve of the spectral sensitivity of the emission spectrum and the "RHEED" pattern it is recognized that the C-axis of ZnO is essentially

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parallel zur (ΐΤθ2)-Ebene des Saphirsubstrates 4 orientiert ist.is oriented parallel to the (ΐΤθ2) plane of the sapphire substrate 4.

Wie in der Kurve (b) der Fig. 3 gezeigt ist, kann bezüglich c?es Saphirsubstrates 4 die Emission mit dem Spitzenwert im Ultraviolett-Bereich von ca. 0,380 pm aufgrund eines freien Exzitons und die Emission mit dom Spitzenwert im Grün-Band von ca. 0,527 um beobachtet werden, die anscheinend auf Sauerstoff-Defekten beruht. Dagegen kann, wie in der Kurve (a) der Fig. 3 gezeigt ist, die Emission mit einem relativ weiten Spitzenwert von ca. 0,330 pm bei Raumtemperatur aufgrund eines gebundenen Exzitons und die scharfe Rot-Emission von 0,695 pm bezüglich des ZnO-Wachsturnsfilmes beobachtet werden. Die Beschleunigungsspannung Vb der Elektronenstrahlen zum Anregen des Laseremissionselementes 21 beträgt in diesem Fall 10 kV, und der elektrische Strom mißt ca. 20 pA.As shown in curve (b) of FIG. 3, with respect to c? Es Sapphire substrate 4 the emission with the peak value in the ultraviolet range 0.380 pm due to a free exciton and the emission with a peak value in the green band of approx. 0.527 µm can be observed, which appears to indicate oxygen defects is based. On the other hand, as shown in curve (a) of Fig. 3, the emission may have a relatively wide peak of about 0.330 pm at room temperature due to a bound exciton and the sharp red emission of 0.695 pm with respect to the ZnO growth films can be observed. The accelerating voltage Vb of the electron beams for exciting the laser emission element 21 is 10 kV in this case, and the electric one Current measures approx. 20 pA.

Um die Art der Emission mit der scharfen Emissionsspitze bei 0,695 pm zu prüfen, die im ZnO-Wachstumsfilm beobachtet wird, wird die spektrale Empfindlichkeit des Laseremissionselementes 21 gemessen, wenn dort verschiedene Beschleunigungsspannungen anliegen, wobei das Ergebnis in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist.To the type of emission with the sharp emission peak 0.695 pm observed in the ZnO growth film, becomes the spectral sensitivity of the laser emission element 21 when different acceleration voltages are present there, the result being shown in FIGS is.

Fig. 4 ist ein, dreidimensionales Diagramm, das die Kennlinien der spektralen Empfindlichkeit der Emissionsstärke in dem Bereich zeigt, in dem die scharfe Emission beobachtet wird. In Fig. 4 sind auf der X-Achse die Lichtwellenlänge, auf der Y-Achse die Beschleunigungsspannung der Elektronenstrahlen vor der Anregung und auf der Z-Achse die Lichtstärke aufgetragen.Fig. 4 is a three-dimensional diagram showing the characteristics shows the spectral sensitivity of the emission strength in the region where the sharp emission is observed. In 4 shows the light wavelength on the X-axis and the acceleration voltage of the electron beams before the excitation on the Y-axis and the light intensity is plotted on the Z axis.

Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Lichtstärke der Wellenlänge von 0,695 pm und der Beschleunigungsspannung der Elektronenstrahlen für die Anregung. Die Messung erfolgt beiFig. 5 shows the relationship between the luminous intensity of the wavelength of 0.695 pm and the acceleration voltage of the electron beams for the excitation. The measurement takes place at

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Raumtemperatur, und der elektrische Strom Ib der Elektronenstrahlen beträgt 20 pA.Room temperature, and the electric current Ib of electron beams is 20 pA.

Wie aus den Figuren 4 und 5 zu ersehen ist, tritt die scharfe Emissionsspitze, die bei der Wellenlänge von 0,695 um beobachtet werden kann, auf, wenn die Beschleunigungsspannung Vb der Elektronenstrahlen für die Anregung über 6 kV beträgt. Dies bedeutet, daß eine kritische Spannung des Laseremissionselementes nach der Erfindung 6 kV ist. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, fällt die Halbwertsbreite des Spitzenwertes entsprechend dem Anstieg in der Beschleunigungsspannung Vb ab, und wenn die Beschleunigungsspannung Vb der Elektronenstrahlen zum Anregen des Laserelementes 12 kV mißt, ist die Halbwertsbreite kleiner als ca.As can be seen from Figures 4 and 5, there occurs the sharp emission peak observed at the wavelength of 0.695 µm when the accelerating voltage Vb of the electron beams for excitation is over 6 kV. This means, that a critical voltage of the laser emission element according to the invention is 6 kV. As shown in Fig. 4, falls the half width of the peak value decreases in accordance with the increase in the accelerating voltage Vb, and when the accelerating voltage Vb of the electron beams for exciting the laser element measures 12 kV, the half-width is less than approx.

3 nm (30 A) ·.3 nm (30 Å) ·.

Die Emissionsspitze bei der Wellenlänge von 0,695 um (vgl. oben) kann lediglich beobachtet werden, wenn der mit Li versehene ZnO-FiIm 13 epitaktisch auf der (1TO2)-Ebene des SaphirsubstratesThe emission peak at the wavelength of 0.695 µm (see above) can only be observed when the Li-provided ZnO film 13 is epitaxial on the (1TO2) plane of the sapphire substrate

4 aufgewachsen ist. Wenn der kristalline Zustand des ZnO-Wachstumsfilmes 13 schwach ist oder amorphes Glas für das Substrat 4 verwendet wird, wird keine Emissionsspitze bei der Wellenlänge von 0,659 um beobachtet.4 grew up. When the crystalline state of the ZnO growth film 13 is weak or amorphous glass is used for the substrate 4, there will be no emission peak at the wavelength of 0.659 µm is observed.

Als Ergebnis der Moden-Messung und der Untersuchung des Lichtemissionsablaufes des Li versehenen ZnO-Filmes kann erkannt werden, daß Kohärenz in der Emissionsspitze vorliegt, daß die Emission vom kristallinen Zustand des ZnO-Wachstumsfilmes 13, der Art des zu verwendenden Substrates und dem Zusatz von Li abhängt, und daß dies eine kritische Spannung zum Anregen des ZnO-Filmes gibt. In Anbetracht dieser Tatsachen kann geschlossen werden, daß die Emission eine Laseremission ist.As a result of the mode measurement and the investigation of the light emission sequence of the Li-provided ZnO film can be recognized that there is coherence in the emission peak that the Emission from the crystalline state of the ZnO growth film 13, the type of substrate to be used and the addition of Li depends, and that this is a critical voltage for exciting the ZnO films exist. In view of these facts, it can be concluded that the emission is a laser emission.

Die Laseremission kann in diesem Fall theoretisch wie folgt erklärt werden:In this case, the laser emission can theoretically be explained as follows:

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Zunächst wird die Funktion von Li im ZnO-Wachstumsfilm 13 ge-First, the function of Li in the ZnO growth film 13 is determined

2+
trachtet. Li wird durch Zn substituiert, das eine hexago-
2+
seeks. Li is substituted by Zn, which has a hexagonal

2-2-

nalen Wurtzit-Struktur hat, und eines der vier O -Ionen, dienalen wurtzite structure, and one of the four O ions that

Zn + umgeben, fängt ein positives Loch ein, um dadurch ein Akzeptorniveau zu bilden. Wenn in diesem Fall der kristalline Zustand des ZnO-Wachsturnsfilmes 13 gering ist, wie z.B. ein polykristalliner Zustand, so wird das positive Loch durch alleSurrounding Zn + captures a positive hole to thereby form an acceptor level. In this case, when the crystalline state of the ZnO growth film 13 is low such as a polycrystalline state, the positive hole becomes through all of them

2-O -Ionen mit gleicher Wahrscheinlichkeitsverteilung eingefangen, was das Akzeptorniveau verbreitert. Wenn jedoch der ZnO-Wachstumsfilm 13 einkristallin ist, sind alle Li -Ionen gleichförmig2-O ions captured with the same probability distribution, which broadens the acceptance level. However, when the ZnO growth film 13 is single crystal, all Li ions are uniform

2_
in der Stellung der 0 -Ionen angeordnet, die in Energiethermen stabil und in Richtung der C-Achse orientiert sind (ca. eine um 152 meV kleinere Energie als.die Stellungen der übrigen drei
2_
arranged in the position of the 0 ions, which in energy thermals are stable and oriented in the direction of the C-axis (about 152 meV less energy than the positions of the other three

2
O -Ionen). Somit wird die zu bildende Akzeptorniveau-Breite extrem schmal.
2
O ions). Thus, the acceptor level width to be formed becomes extremely narrow.

Das Energieniveau von Li wirkt als ein Grundzustand bezüglich der injizierten Elektronen. Somit ist das lokalisierte, schmale Akzeptorniveau eine Grundanforderung, um die scharfe Emissionsspitze der Wellenlänge von 0,695 um zu erhalten, wie dies oben erläutert wurde.The energy level of Li acts as a ground state with respect to the injected electrons. So that is localized, narrow Acceptor level a basic requirement to get the sharp emission peak of the wavelength of 0.695 µm like this above was explained.

Aus der Temperaturkennlinie der elektrischen Leitfähigkeit der hochqualitativen, mit Li versehenen ZnO-Wachstumsschicht folgt, daß die Energie zum Ionisieren von Li den Wert 0,24 eV hat. Insbesondere wird das durch Li gebildete Akzeptorniveau beim Niveau von 0,24 eV über dem Valenzband gebildet.From the temperature characteristic of the electrical conductivity of the high quality ZnO growth layer provided with Li it follows that that the energy for ionizing Li is 0.24 eV. In particular, the acceptance level formed by Li becomes Level of 0.24 eV formed above the valence band.

Der hochkristalline Zustand des Wachstumsfilmes hat einen bedeutenden Einfluß auf den Energiezustand eines gebundenen und eines freien Exzitons in der Nähe des Leitungsbandes .und der hiermit zugeordneten Emission eines Vertikal-Moden eines optischen Phonons (LO-Phonon). D.h., die Emission im Ultraviolett-Bereich, die diesen Energieniveaus zugeordnet ist, kann im epitaktischenThe highly crystalline state of the growth film has a significant one Influence on the energy state of a bound and a free exciton in the vicinity of the conduction band .and the herewith associated emission of a vertical mode of an optical Phonons (LO-Phonon). That is, the emission in the ultraviolet range, which is assigned to these energy levels, can be in the epitaxial

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Wachsturnsfilm von hoher Qualität beobachtet werden; wenn jedoch der kristalline Zustand schwach oder gering ist, wird keine in Frage kommende Emission erkannt.High quality growth film can be observed; but when the crystalline state is weak or low, no emission in question is recognized.

Die Emission mit der Spitze von 0,330 um in der in Fig. 3 gezeigten Kurve wird als die den oben erläuterten Energieniveaus zugeordnete Emission angesehen.The emission with the peak of 0.330 µm in that shown in FIG Curve is considered to be the emission associated with the energy levels discussed above.

Im folgenden wird ein für die Emission des Lasers erforderliches metastabiles Niveau näher betrachtet, das aus der beobachteten Lichtemissionsspitze von 0,695 um vermutet werden kann.In the following, a metastable level required for the emission of the laser is considered in more detail, which is derived from the observed Light emission peak of 0.695 µm can be assumed.

Nach einer groben Berechnung liegt das metastabile Niveau beim Energieniveau von ca. 1,8 eV über dem durch Li gebildeten Grundzustand. D.h., es liegt beim Energieniveau von ca. 1,4 eV unter dem Leitungsband von ZnO (die Energiebandbreite beträgt 3,2 eV). Ein Sauerstoff-Defekt (im folgenden als Vo" bezeichnet) im ZnO-Kristall' wird als diesem Energieniveau entsprechende angesehen.According to a rough calculation, the metastable level at the energy level of approx. 1.8 eV is above that formed by Li Basic state. This means that at the energy level of approx. 1.4 eV it is below the conduction band of ZnO (the energy bandwidth is 3.2 eV). An oxygen defect (hereinafter referred to as Vo ") in the ZnO crystal is considered to correspond to this energy level viewed.

Wenn die durch das Vo -Zentrum eingefangenen Elektronen vorzugsweise zur C-Achse in der gleichen Weise wie Li -Ionen orientiert sind, ist die Lebensdauer der Elektronen in diesem Ener-When the electrons trapped by the Vo center are preferred are oriented to the C axis in the same way as Li ions, the lifetime of the electrons in this energy

-1 2
gieniveau um 10 bis 10 s langer als diejenige in den anderen Energieniveaus, und das Vo -Zentrum wird als das metastabile Niveau bezüglich der injizierten Elektronen angesehen. Dies kann durch einen Versuch an einkristallinem ZnO durch Elektronenspien-Resonanz nachgewiesen werden.
-1 2
The energy level is 10 to 10 seconds longer than that in the other energy levels, and the Vo center is considered to be the metastable level with respect to the injected electrons. This can be demonstrated by an experiment on single-crystal ZnO by means of electron spinning resonance.

Wie aus den obigen Erläuterungen folgt, emittiert das erfindungsgemäße Laseremissionselement 21 Strahlung von 0,695 tun durch Verschieben der durch die Elektronenstrahlen für die Anregung injizierten Elektronen vom Leitungsband zu dem durch das Vo -Zentrum gebildeten metastabilen Niveau aufgrund eines nicht-As follows from the above explanations, the invention emits Laser emission element 21 do radiation of 0.695 by moving the electron beams for excitation injected electrons from the conduction band to the metastable level formed by the Vo center due to a non-

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strahlenden Überganges und durch Rekombinieren der Elektronen mit dem durch die Li -Ionen gebildeten positiven Loch im Grundzustand. radiating transition and by recombining the electrons with the positive hole formed by the Li ions in the ground state.

Um in diesem Fall die Laseremission durch die induzierte Emission während der Rekombination zwischen den Elektronen und den positiven Löchern anzuregen, muß die Lebensdauer des die injizierten Elektronen speichernden metastabilen Niveaus um eine Ziffer oder Größenordnung länger als diejenige des Grundzustandes sein. Jedoch ist die Lebensdauer der Elektronen im Grundzustand kleiner als 1O~ jus ; somit kann die obige Bedingung vollständig erfüllt werden. Die Emission vom erfindungsgemäßen Laseremissionselement kann als auf dem Übergang von dem durch das Vo~-Zentrum gebildeten metastabilen Niveau zu dem durch Li gebildeten Grundzustand beruhend angesehen werden.To in this case the laser emission by the induced emission during the recombination between the electrons and To excite the positive holes, the lifetime of the metastable level storing the injected electrons must be increased be one digit or order of magnitude longer than that of the basic state. However, the lifetime of the electrons is im Ground state less than 10 ~ jus; thus the above condition can be fully met. The emission from the invention Laser emission element can be considered to be on the transition from the metastable level formed by the Vo ~ center to the can be considered based on the ground state formed by Li.

Im folgenden wird die Tiefe betrachtet, in die die Elektronen durch Aufprallen der Elektronen auf den mit Li versehenen ZnO-Wachstumsfilm bei der kritischen Spannung von 6 kV injiziert werden, da diese geeignet ist, bei der Erfindung die Emissionserscheinung zu prüfen. In the following, the depth to which the electrons are driven by the collision of the electrons on the Li-provided ZnO growth film will be considered be injected at the critical voltage of 6 kV, since this is suitable for checking the emission phenomenon in the invention.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß der Mittelwert -C der Tiefe in einem kristallinen Wachstumsfilm, in die beschleunigte Elektronen injiziert werden können, proportional zum Quadrat der Beschleunigungsspannung Vb und umgekehrt proportional zur Dichte QS des Materials ist. Wenn die Proportionalitätskonstanwerden: It has already been pointed out that the mean value -C of the depth in a crystalline growth film into which accelerated electrons can be injected is proportional to the square of the accelerating voltage Vb and inversely proportional to the density QS of the material. When the proportionality becomes constant:

—2—2

konstante 2,5 χ 10 beträgt, kann € wie folgt ausgedrücktconstant 2.5 χ 10, € can be expressed as follows

& = 2,5 χ 10"2G"1 Vb2 (cm)
Der Wert ^ wird berechnet, indem für Vb der Wert 6 kV (kritische
& = 2.5 χ 10 " 2 G" 1 Vb 2 (cm)
The value ^ is calculated by adding the value 6 kV (critical

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Spannung) und für 6"der Wert 4,1 eingesetzt werden. Dann wird als Ergebnis £ f& 0,31 um erhalten. Dies ist im wesentlichen der gleiche Wert wie die Filmdicke von 0,35 nm des ZnO-Wachs turns filnios 13 dos Lascremissionsclementes 21, das gestaltet ist, um in der Messung durch die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung verwendet zu werden. Dies bedeutet, daß die injizierten Elektronen das Saphirsubstrat 4 erreichen, wenn die Beschleunigungsspannung der Elektronenstrahlen für die Anregung ca. 6 kV beträgt. Wenn die injizierten Elektronen über dem gesamten Wachstumsfilm verteilt sind, kann die scharfe Emission beobachtet werden. D.h., die kritische Spannung der Elektronenstrahlen für die Anregung ist abhängig von der Filmdicke des ZnO-Wachstumsfilmes 13 veränderlich, und die kritische Spannung tritt entsprechend der Filmdicke auf.Voltage) and for 6 "the value 4.1 is used. The result is then £ f & 0.31 µm. This is essentially the same value as the film thickness of 0.35 nm of the ZnO wax turns filnios 13 dos Lascremissionsclementes 21 designed to be used in the measurement by the device shown in Fig. 2. This means that the injected electrons reach the sapphire substrate 4 when the accelerating voltage of the electron beams for excitation is about 6 kV injected electrons are distributed over the entire growth film, the sharp emission can be observed, that is, the critical voltage of the electron beams for excitation varies depending on the film thickness of the ZnO growth film 13, and the critical voltage occurs according to the film thickness.

Die Ergebnisse verschiedener, oben erläuterter Messungen werden vom Laseremissionselement 21 erhalten, das durch epitaktisches Wachsen des mit Li versehenen ZnO-Filmes 13 auf dem Saphirsubstrat 4 durch den reaktiven Haufen-Ionenstrahl-Abscheidungsprozeß vorbereitet wird, und es erfolgt keine Behandlung zur Steigerung der photonen Dichte. Demgemäß beträgt die Halbwertsbreite der Laseremissionsspitze ca. 3 nm (30 A).The results of various measurements explained above are obtained from the laser emission element 21, which is produced by epitaxial Growing the Li-provided ZnO film 13 on the sapphire substrate 4 is prepared by the reactive cluster ion beam deposition process, and no treatment for enhancement is given the photon density. Accordingly, the half width of the laser emission peak is about 3 nm (30 Å).

In Halbleiterlasern, wie z.B. GaAs, die lediglich eine P-N-Grenzschicht bilden, beträgt die Laseremissionsspitze ca. 10 nm (100 A), die dreimal weiter als die Halbwertsbreite des Laseremissionselementes 21 nach der Erfindung ist. Beim herkömmlichen Halbleiterlaser kann die Halbwertsbreite der Emissionsspitze auf ca. 0,1 nm (1 A) mittels eines Hohlraumresonators (Fabry Perot - Resonator) verringert werden, der einen Reflexionsspiegel verwendet, der die Photonendichte erhöht. Entsprechend ist es im Laseremissionselement dieser Art vorteilhaft, zwei Flächen zu polieren, die parallel und senkrecht gegenüber zum SubstratIn semiconductor lasers such as GaAs, which only have a P-N interface form, the laser emission peak is approx. 10 nm (100 Å), which is three times wider than the half-width of the laser emission element 21 according to the invention. In the conventional semiconductor laser, the half width of the emission peak to about 0.1 nm (1 A) using a cavity resonator (Fabry Perot - resonator), which uses a reflection mirror that increases the photon density. Is accordingly In the laser emission element of this type, it is advantageous to polish two surfaces that are parallel and perpendicular to the substrate

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liegen oder eine geeignete Gitter-Behandlung durchzuführen, um die Photonendichte zu erhöhen und die Halbwertsbreite deror to carry out a suitable grating treatment in order to increase the photon density and the half width of the

ο Emissionsspitze kleiner als 0,1 nm (1 A) zu machen.ο Make the emission peak smaller than 0.1 nm (1 A).

Fig. 6 zeigt schematisch eine das erfindungsgemäße Laseremissionselement verwendende Laseremissionsvorrichtung, die die6 schematically shows a laser emission element according to the invention using laser emission device which the

ο Halbwertsbreite der Emissionsspitze zu 0,1 nm (1 A) durch die Anwendung der obigen Behandlung macht.ο Half width of the emission peak to 0.1 nm (1 A) through the Applying the above treatment makes.

Die in Fig. 6(a) gezeigte Vorrichtung umfaßt ein aus Saphir bestehendes Substrat 31, auf dem ein mit Li versehener ZnO-FiIm 32 durch Abscheiden reaktiver ionisierter AgglomerateThe device shown in Fig. 6 (a) comprises one made of sapphire Substrate 31, on which a ZnO film 32 provided with Li by the deposition of reactive ionized agglomerates

epitaktisch aufgewachsen ist, und einen Elektronenstrahlerzeuger 33 zum Erzeugen von Elektronenstrahlen, um den ZnO-FiIm 32 anzuregen, wobei der Elektronenstrahlerzeuger 33 gegenüber zum ZnO-FiIm 32 vorgesehen ist. Das Substrat 31 und der Elektronenstrahlerzeuger 33 sind in einem Vakuumgehäuse 34 mit wenigstens transparenten Laser-Entnahmeteil 34a enthalten, wobei das Vakuumgehäuse 34 unter einem Hochvakuumzustand gehalten wird. Wie in Fig. 6(b) gezeigt ist, erfolgt die Behandlung zum Erhöhen der Photonendichte auf Oberflächen des ZnO-Wachsturnsfilmes 32, die vertikal entgegengesetzt zum Substrat 31 liegen, derart, daß eine der Oberflächen auf der Seite der Entnahme des Laserstrahles poliert sein kann, oder es können ein Halbspiegel 35 und Gitter 36, die in der Nähe der Oberfläche gegenüber zum Halbspiegel 35 ausgeführt ..sind, vorgesehen werden.is epitaxially grown, and an electron gun 33 for generating electron beams around the ZnO film 32 to stimulate, the electron beam generator 33 being provided opposite the ZnO film 32. The substrate 31 and the electron gun 33 are contained in a vacuum housing 34 with at least transparent laser removal part 34a, wherein the vacuum housing 34 is maintained under a high vacuum condition. As shown in Fig. 6 (b), the treatment is performed for Increasing the photon density on surfaces of the ZnO growth film 32, which are vertically opposite to the substrate 31, such that one of the surfaces on the side of the removal of the The laser beam may be polished, or there may be a half mirror 35 and grating 36 that are close to the surface opposite to the Half mirror 35 executed ..are provided.

Die Gitter 36 sind im wesentlichen gleichseitige Dreiecke mit Abständen 1- zwischen den Ecken, die einarHalbwertsbreite der Laseremissionswellenlänge entsprechen, die 0,695/2 = 0,3475 ium beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt. Die Länge 1„ des ZnO-Wachstumsfilmes ist ein ganzzahliges Vielfaches der Laseremissionswellenlänge und beträgt das 1,5 - 2-fache bezüglich der Breite I3.The gratings 36 are substantially equilateral triangles with distances 1- between the corners corresponding to a half-width of the laser emission wavelength which is 0.695 / 2 = 0.3475 µm in the present embodiment of the invention. The length 1 ″ of the ZnO growth film is an integral multiple of the laser emission wavelength and is 1.5-2 times with respect to the width I 3 .

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Durch die Anordnung der oben erläuterten Gitter wird eine Rot-Laseremission mit einer Wellenlänge von 0,695 ium und der Halbwertsbreite von kleiner als 0,1 nm (1 A) erhalten.The arrangement of the grids explained above results in a red laser emission with a wavelength of 0.695 µm and a half width of less than 0.1 nm (1 Å).

Ein Halbspiegel kann auf der Oberfläche anstelle der Gitter vorgesehen werden, wo die in Fig. 6(b) gezeigten Gitter 36 angeordnet sind. Wenn weiterhin im oben Ausführungsbeispiel Licht von einem Ende des Schwingungs- oder Oszillationsraumes mittels eines Prisma-Kopplers eingeführt und vom anderen Ende entnommen wird, kann ein optischer Verstärker zum Verstärken des eingeführten Lichtes, z.B. zum Verstärken eines Hl-Ne-Lasers mit der Wellenlänge von 0,6328 ium erhalten werden.A half mirror can be provided on the surface in place of the grating where the grids 36 shown in Fig. 6 (b) are arranged. If furthermore in the above embodiment light from one end of the vibration or oscillation space introduced by means of a prism coupler and removed from the other end an optical amplifier for amplifying the introduced light, e.g. for amplifying a Hl-Ne laser with the Wavelength of 0.6328 µm can be obtained.

Im obigen Ausführungsbeispiel wird der mit Li versehene ZnO-Wachstumsfilm durch das Abscheiden reaktiver ionisierter Agglomerate vorbereitet, der den einkristallinen epitaktischen Wachstumsfilm auf dem Substrat bei der niederen Substrattemperatur von 2000C bilden kann. Jedoch ist der Prozeß oder das Ver-^ fahren zum Herstellen oder Vorbereiten des ZnO-Filmes nicht wesentlich für die Erfindung; vielmehr kann der ZnO-FiIm durch andere Verfahren hergestellt werden, wie z.B. durch Hochfrequenz- oder Gleichstrom-Sputter-(bzw. Zerstäubungs-)Verfahren oder durch ein CVD-Verfahren (CVD = chemische Dampf-Abscheidung), sofern auf dem Substrat ein hochkristalliner, epitaktisch aufgewachsener, mit Li versehener ZnO-FiIm gebildet wird. Auch ist darauf hinzuweisen, daß das Substrat nicht auf Saphir beschränkt ist; vielmehr ist es möglich, andere einkristalline Halbleitersubstrate oder Substrate verschiedener Materialien zu verwenden, auf denen ein einkristalliner dünner Film erzeugt werden kann. Weiterhin werden im obigen Ausführungsbeispiel die Elektronenstrahlen als eine Anregungsquelle zum Emittieren von Laserstrahlung verwendet; jedoch kann die Laseremission durch eine andere Anregungsquelle, z.B. durch Licht oder ein elektrisches Feld, erhalten werden.In the above embodiment, provided with Li ZnO-growth film is prepared by depositing reactive ionized agglomerates that can form the single-crystalline epitaxial growth film on the substrate at the low substrate temperature of 200 0 C. However, the process or the method for making or preparing the ZnO film is not essential to the invention; Rather, the ZnO film can be produced by other processes, such as, for example, by high-frequency or direct current sputtering (or sputtering) processes or by a CVD process (CVD = chemical vapor deposition), provided that it is highly crystalline on the substrate , epitaxially grown, Li-provided ZnO-FiIm is formed. It should also be noted that the substrate is not limited to sapphire; rather, it is possible to use other single crystal semiconductor substrates or substrates of various materials on which a single crystal thin film can be formed. Furthermore, in the above embodiment, the electron beams are used as an excitation source for emitting laser radiation; however, the laser emission can be obtained by another excitation source such as light or an electric field.

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Claims (4)

PATENTANWÄLTE jUUOOOOPATENT LAWYERS jUUOOOO KLAUS D. KIRSCHNER WOLFGANG GROSSEKLAUS D. KIRSCHNER WOLFGANG LARGE DIPL.-PHYSIKER D 1 P L.-l N G E N I E U RDIPL.-PHYSICIST D 1 P L.-l N G E N I E U R ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPAISCHEN PATENTAMTAPPROVED REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE HERZOG-WILHELM-STR. 17HERZOG-WILHELM-STR. 17th Futaba Denshi Kogyo Kafaushiki Kaisha d-8 München 2 Futaba Denshi Kogyo Kafaushiki Kaisha d-8 Munich 2 Mobara-shi, Chiba-ken / Japan ihr zeichen Mobara-shi, Chiba-ken / Japan your mark YOUR REFERENCE:YOUR REFERENCE: UNSER ZEICHEN: K 3728 K/dp OUR REFERENCE:OUR MARK: K 3728 K / dp OUR REFERENCE: DATUM: 14. Februar 1980DATE: February 14, 1980 Laseremis sionselementLaser emission element AnsprücheExpectations Laseremissionselement,Laser emission element, gekennzeichnet durch einkristallines Zinkoxid, dem Lithium zugesetzt ist, um ein Fremdstoffniveau zu bilden.characterized by single crystalline zinc oxide to which lithium is added to form a level of impurities. 2. Laseremissionselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lithium das Fremdstoffniveau bildet, das vorzugsweise zur C-Achse des Zinkoxids ausgerichtet ist.2. Laser emission element according to claim 1, characterized in that the lithium forms the foreign matter level, which is preferably is aligned with the C-axis of the zinc oxide. 3. Laseremissionselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lithium des Zinkoxid in einem Bereich von 0,001 Gew.-% bis 10 Gew.-% bezogen auf das Zinkoxid zugesetzt ist.3. Laser emission element according to claim 1 or 2, characterized in that the lithium of the zinc oxide is added in a range from 0.001% by weight to 10% by weight, based on the zinc oxide. 4. Laseremissionselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zinkoxid epitaktisch auf einem einkristallinen Saphirsubstrat aufgewachsen ist.4. Laser emission element according to claim 1 or 2, characterized in that that the zinc oxide is grown epitaxially on a single crystal sapphire substrate. 030034/0776030034/0776
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