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Generator für langwellige elektromagnetische Infrarotwellen
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Die Erfindung betrifft einen Halbleiter zum Erzeugen von elektromagnetischen
Wellen und insbesondere von elektromagnetischen langwelligen Infrarotwellen unter
Verwendung von Phononen.
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Seitens der Erfinder wurde bereits ein Generator für elektromagnetische
Wellen vorgeschlagen, der koherente elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge
im Submillineterbereich bis zum langwelligen Infrarot (eine Wellenlänge von 10 ßm
bis 1 mm) erzeugen kann, wobei eine Gittervibration, d.h. ein Phonon in einem Halbleiter
verwendet wird.
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Eine bekannte Methode zum Erzeugen von konerenten elektromagnetischen
Wellen besteht im Aussetzen eines Halbleiters einem Strahl von auffallendem Licht
mit einer Frequenz ;0, um eine Gittervibration Cr in dem Halbleiter und eine Raman-Streuung
#s,a=#0##r anzuregen. Die Raman-Streuung erzeugt ihrerseits Licht mit einer Frequenz
#s,a Daher wird eine koherente Gittervibration Ar aufgrund der Oszillation des Lichtes
angeregt, um eine gleichzeitig koherente elektromagnetische Welle zu erzeugen.
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Die Driftgeschwindigkeit der Elektronen (oder Löcher) vd kann entweder
durch Anlegen eines Gleichstrams hoher Spannung oder einer Mikrowelle an den Halbleiter
vergrößert werden, bis die Bedingung erreicht wird, daß optische Phononen (Quantenenergie
###), d.h. mvd2 - hMs, angeregt werden. Unter solchen Bedingungen werden. viele
Phononen lebhaft erzeugt.
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Jedoch ist die Wellenlänge der Phononen, die durch die Kollision zwischen
freien Elektronen und dem Gitter erzeugt werden, kürzer als diejenige einer Lichtwelle,
so daß es nicht einfach ist, eine Phasenanpassung hierzwischen zu erreichen. Des
weiteren sind die meisten der Phononen LO-Phononen, die nicht mit Lichtwellen in
Wechselwirelmg treten konnen. Andererseits tritt
im Falle einer
Kollision eines freien Elektrons mit Verunreinigungen das unerwünschte Problem der
Phasenanpassung nicht auf, so daß der Nachteil vermieden werden kann, daß die Wellenlänge
der erzeugten Phononen kürzer als diejenige von Lichtwellen ist. Zusätzlich sind
die Phononen, die auf diese Weise erzeugt werden, nicht auf Phononen van In begrenzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen aus einem Halbleiter hergestellten,
verbesserten Generator für elektromagnetische Wellen im langwelligen Infrarot zu
schaffen, der eine verbesserte Leistung gegenüber bisher bekannten aufweist.
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Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen,
die das Erzeugen von elektromagnetischen Wellen im langwelligen Infrarot durch Anlegen
eines elektrischen Strangs an einen Halbleiter ermöglicht und die die Anordnung
einer Lichtquelle zum Bestrahlen des Halbleiters mit Licht nicht benötigt.
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Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiterstruktur zu
schaffen, die wirksam zur Erzeugung von Phononen verwendet werden kann.
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Abgesehen davon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Resonatorstruktur
zur Verwendung bei der Erzeugung von elektromagnetischen Wellen variabler Wellenlänge
zu schaffen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein Energieniveauschema für einen Gallium Phosphidkristall
(GaP), der Tellur (Te) als Donatorverunreinigung enthält, wobei ein Grundzustandniveau
und angeregte Niveaus der Verunreinigung dargestellt sind.
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Fig. 2 zeigt eine Verteilungsbeziehung zwischen der Frequenz Or und
der Wellen zahl k der Phononen from Transversaltyp, die in dem GaP-Kristall erzeugt
werden, wenn die Wellenzahl k klein ist.
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Fig. 3 zeigt ein schematisches Diagramm eines Generators für elektromagnetische
Wellen im langwelligen Infrarot, umfassend einen Resonator, einen Halbleiterkristall
und eine Gleichstromquelle.
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Fig. 4A zeigt ein schematisches Diagramm wie Fig. 3, wobei der Halbleiterkristall
jedoch durch einen Halbleiter mit p-i-n-Kontakt ersetzt ist.
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Fig. 4B zeigt ein Energieniveauschema des Halbleiters von Fig. 4A
nach Anlegen einer Vorspannung an die Vorrichtung von Fig. 4A.
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Fig. 5 zeigt ein schematisches Diagramm eines Generators für elektromagnetische
Wellen im langwelligen Infrarot, bei dem einer der Reflektoren des Resonators ein
Beugungsgitter besitzt, so daß die Wellenlänge der erzeugten elektrcmagnetischen
Wellen variiert werden kann.
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Fig. 6A zeigt ein Energieniveauschema eines Halbleiters (in Abwesenheit
einer angelegten Spannung ), der einen p-n-Kontakt besitzt und eine ionisierte Donatorverunreinigung
im p-leitenden Bereich enthält.
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Fig. 6B zeigt ein Energieniveauschema wie in Fig. 6A, jedoch nach
Anlage ener Spannung an den Halbleiter.
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Fig. 1 zeigt das Energieniveau im Grundzustand als auch die Energieniveaus
in angeregtem Zustand eines Donators, wenn der Halbleiter ein GaP-Kristall ist.
Cbwshl die nachfolgende Diskussion auf den Fall gerichtet ist, in den die Verunreinigung
Te ist, gilt praktisch dasselbe auch für den Fall, in dem die Verunreinigung Se
oder S ist. Der Grundzustand von Te in dem GaP-Kristall liegt in einer Position
von etwa 90meV von der Sohle des Leitungsbandes gesehen. Daher sind die meisten
Elektronen in einem GaP-Kristall vom n'Typ im Grundzustand, wenn dieser Kristall
auf eine Temperatur von etwa 80° Kelvin oder niedriger gekühlt ist. Unter dieser
Bedingung wird
ein intensives elektrisches Feld an den Halbleiter
angelegt. Im Falle, daß in dem Halbleiter freie Ladungsträger existieren, die auf
irgendeine Weise erzeugt werden, etwa durch Bestrahlen des Halbleiters mit Lichtstrahlen
oder durch Halten der Temperatur hiervon auf 800 K oder höher, beispielsweise auf
etwa 1500 K, um freie Ladungsträger zu erzeugen, werden die auf diese Weise erzeugten
freien Ladungsträger durch Anlegen eines starken, elektrischen Feldes gezwungen,
sich mit einer beschleunigten Geschwindigkeit zu bewegen, um mit der Te-Verunreinigung
zu kollidieren. Diese Kollisionen regen andererseits die Elektronen der Verunreinigung
zu höheren Energieniveaus an. Auf diese Weise werden die Elektronen auf Ubergangsniveaus
oder auf ein Leitungsband angeregt, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Sogar im Falle
einer derartigen Kollisionsanregung wird eine Auswahlregel angewendet. Bei einem
Energieniveauschema,wie es in Fig. 1 dargestellt ist, werden beispielsweise die
Elektronen angeregt, um sehr häufig von dem Grundzustand 1 5A1 in ein höheres Niveau
2To oder ein Leitungsband, jedoch kaum auf das Niveau 1 SIE durch Kollisionsanregung
zu springen. Andererseits fallen die auf die Energieniveaus 2Po oder höher angeregten
Elektronen auf niedrigere Energieniveaus mit oder ohne damit verbundene Strahlung
zurück. Allgemein ist im Falle der niedrigen Energieniveaus der Verunreinigung die
Wahrscheinlichkeit der Erzeugung von Strahlung gering, was bedeutet, daß die angeregten
Elektronen auf niedrigere Niveaus zurückfallen, während sie Phononen erzeugen.
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Obwohl sich das Vorstehende auf die Donator-Verunreinigung bezog,
können anstelle von Donatoren Akzeptoren und andere tiefere Niveaus als die oben
angeführten von irgendwelchen anderen Verunreinigungen ebenso wirksam sein, vorausgesetzt,
daß die Energieniveaus in den angeregten Zuständen erreichbar sind.
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In Fig. 2 ist eine Beziehung zwischen der Wellenzahl k und der Frequenz
des transversalen optischen Phonons (TO) dargestellt. Wenn die Wellenzahl k klein
ist,koppelt sich die elektromagnetische Welle im langwelligen Infrarot mit dem Phonon,
um den sogenannten Polariton-Modus zu bilden, so daß die Frequenz r abnehmen wird,
wobei gleichzeitig der Beitrag der elektromagnetischen Welle zur Gittervibration
relativ groß wird. Wenn dieser Modus, der eine Wellenzahl k in dem Frequenzbereich
besitzt, in dem das Phonon mit der elektromagnetischen Welle gekoppelt wird, erzeugt
wird, wird das Phonon abgegeben und die elektromagnetische Welle wird unvermeidlich
angeregt. Daher kann die Verstärkung der elektromagnetischen Welle bewirkt
werden,
obwohl in erster Sicht dieser Prozess strahlungslos zu sein scheint. Ein Fabry-Pérot-Resonator
wird, wie in Fig. 3 dargestellt, gebildet. Reflektoren M1 und M2 sind mit einem
reflektierenden Material beschichtet, um spezifisch einen hohen Gütefaktor Q bei
einer gewünschten Wellenlänge a ro in dem langwelligen Infrarotbereich zu erzielen.
In Fig. 3 sind die Reflektoren 1 und 2, ein GaP-Kristall 3, Elektroden 4 und 5 zum
Anlegen eines elektrischen Stroms und eine Gleichstromquelle 6 dargestellt. Wenn
ein Phonon des Polariton-Modus mit Q ro ro durch den Kristall geschickt wird, werden
die Elektronen der Verunreinigung, die auf höhere Energieniveaus aufgrund der Kollisionsionisation
angeregt wurden, die durch das Anlegen eines elektrischen Stromes erzeugt wird,
auf niedrigere Niveaus entsprechend einer Energiedifferenz von Xro fallen. Wie beispielsweise
in Fig. 1 dargestellt ist, beträgt eine Energiedifferenz zwischen iSE und 2Po oder
einem höheren Niveau etwa 30 meV bis 50 meV. Des weiteren werden die Elektronen
durch die Kollisionsionisation kaum angeregt, um das 1SE-Niveau zu erreichen. Daher
werden die uebergänge von höheren Energieniveaus auf das 1SE-Niveau, wie in Fig.
1 durch die Wellenlinie angedeutet, mit der Erzeugung von Phononen hervorgerufen.
Auf diese Weise werden Phononen im Polariton-Modus im Bereich von 30 meV bis 45
meV ausgesandt und verstarkt.
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Es existiert eine weitere Methode zum Anregen oder lonisieren von
Elektronen einer Verunreinigung durch Anlegen eines elektrischen Stranges, wobei
thermisch angeregte freie Elektronen in dem Kristall beschleunigt werden, um die
Verunreinigung zu bathardieren,oder freie ladungsträger konnten durch Bestrahlen
des Kristalls mit Lichtstrahlen erzeugt werden, die eine Energie entsprechend etwa
derjenigen einer verbotenen Bandlücke besitzen, und durch Anlegen eines starken
elektrischen Feldes beschleunigt werden, so daß die Ladungsträger mit der Verunreinigung
kollidieren kannen.
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Außerdem gibt es eine weitere Methode, bei der ein n-i-, p-i- oder
p-i-n-Kontakt in einem Halbleiter gebildet wird, wie in Fig. 4 dargestellt ist.
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Der Bereich i besitzt eine relativ niedrige Verunreinigungskonzentration,
wobei diese Verunreinigung an der Erzeugung von elektromagnetischen Wellen oder
Laserwellenerzeugung teilnimmt. Fig. 4 B zeigt ein Energieniveauschema, in dem eine
Spannung ueber den n-i-Kontakt in einer Durchlaßrichtung angelegt ist. In diesem
Fall werden freie Elektronen, die in die Schicht van iTyp
injiziert
werden, durch Anlegung eines starken elektrischen Feldes beschleunigt, um die Te-Verunreinigung
zu bombardieren. Dieses Batardemeint regt seinerseits die Elektronen auf den Energieniveaus
der angeregten Zustände an, wie durch das Zeichen "a" in Fig. 4B angedeutet ist,
oder auf das Leitungshand aufgrund der Ionisierung, die durch das Zeichen "b" angedeutet
ist. Die auf die Ubergangsniveaus angeregten Elektronen fallen in den Grundzustand
unter Emission von Phononen zurück. Das elektrische Feld nuß eine solche Größe besitzen,
daß es nicht ausreicht, die Te-Verunreinigung vollständig zu jonisieren.
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Alternativ kann das elektrische Feld in einer Sperr-Richtung angelegt
und es könnenyreie Elektronen, die in der Schicht vom i>Typ freigesetzt werden,
oder solche, die durch Lichtstrahlen angeregt werden, verwendet werden. Durch Verwendung
des p-i-Kontaktes anstelle des n-i-Kontaktes können Löcher beschleunigt werden,
um mit der Verunreinigung zu kollidieren. Die Schicht vom i-lsp darf kein Hochwiderstaadsbereich
bei Raumtemperatur sein. Selbst wenn sie eine Verunreinigungskonzentration von etwa
1 o1 7/ cm3 Te aufweist, kann sie einen genügend hohen Widerstand bei 1500 K aufweisen,
um es zu erröglichen, ein elektrisches Feld anzulegen.
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In dem Falle, in dem die Verunreinigung in der pSchicht durch Zn ersetzt
wird, können selbst bei 1500 K Löcher wegen der niedrigen Energieniveaus des Zn
existieren. Es ist daher niöglich, daß Löcher in die n-Schicht injiziert werden,
die eine i-Schicht bei niedrigeren Temperaturen wird und beschleunigt werden, um
die Verunreinigung zu bombardieren, wodurch sich eine Anregung der letzteren ergibt.
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Bei den obigen Ausführungsformen befindet sich das Niveau der Te-Verunreinigung
in einer Position von etwa 90 meV , so daß ein beträchtlicher Anteil hiervon bei
Rauntemperatur ionisiert und die Leistung geringer wird. Als Verunreinigungen werden
solche bevorzugt, die ein tiefes Energieniveau besitzen, um einen Generatur für
elektromagnetische Wellen in langwelligem Infrarot herzustellen, der bei Raumtemperatur
arbeitet. Da dort eine Vielzahl von tiefen Niveaus und ebenso eine Vielzahl von
Übergangsniveaus existiert, kdnnen dort geeignete Paare von Energieniveaus in den
angeregten Zuständen gefunden werden. Beispielsweise erzeugt sauerstoff 0 ein sehr
tiefes Niveau von 0,9 ev in GaP. Dieser Wert stellt den Grundzustand dar. Energieniveaus
in den angeregten Zuständen sind fast in
den gleichen Positionen
wie diejenigen von Te, wie in Fig. 1 dargestellt.
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Daher ist dieser Wert zur Erzeugung von elektranagnetischen Wellen
bei Raumtemperatur geeignet.
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Die obigAusfunrungsforrren beziehen sich auf die Erzeugung in dem
Halbleiterbereich, in dem Elektronen im Grundzustand mit einer genügenden Existenzwanrscheinlichkeit
und in einem thermischen Gleichgewicht existieren. Im Gegensatz hierzu betrifft
die folgende Ausführungsform die Verwendung von Donatorenergieniveaus, beispielsweise
von der Te-Verunreinigung in einem Halbleiter vom p-Typ zum Erzeugen von elektromagnetischen
Wellen im langwelligen Infrarot. Diese Methode ist insofern die gleiche wie die
vorhergehenden, da das Phonon in Polariton-Modus zur Erzeugung der elektromagnetischen
Wellen im langwelligen Infrarot verwendet wird, unterscheidet sich jedoch davon,
in dem ein p-n-Kontakt gebildet wird, wie aus dem Energieniveauschema von Fig. 6
ersichtlich ist. Fig. 6A zeigt das Bandschema, wenn keine Spannung in Durchlaßrichtung
über den p-n-Kontakt angelegt ist.
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In Abwesenheit der Spannung wird die Verunreinigung A (beispielsweise
Te), die an der Laserstrahlerzeugung entsprechend der Erfindung teilnimmt, in dem
p-Bereich ionisiert, so daß dort kein Elektron vorhanden ist, das fähig ist, zu
übergängen beizutragen. Wenn eine Spannung V über den p-n-Kontakt in einer Durchlaßrichtung
angelegt wird, wie in Fig. 6B dargestellt ist, werden Elektronen in den p-Bereich
an dem p-n-Kontakt injiziert und durch die Verunreinigung A eingefangen. In diesem
Falle besitzt die Vorrichtung einen Resonator, wie in Fig. 3 dargestellt und freie
Elektronen fallen direkt vom Leitungsband oder von den Energieniveaus des angeregten
Zustandes, der sich ganz nahe zum Leitungsband befindet, beispielsweise auf das
1 SE-Niveau, wie durch das Bezugszeichen 7 in Fig. 6B dargestellt ist, wobei Phononen
im Polariton-Modus emittiert werden. Dann fallen die Elektronen in den Grundzustand
wie durch die Bezugsziffer 9 angedeutet ist, wonach Rekombinationen der Elektronen
mit Löchern aufgrund von Ubergängen 8 auftreten, wodurch sichtbare Lumineszenz erzeugt
wird. In diesem Fall ist der p-Bereich des Halbleiters keinem starken elektrischen
Feld ausgesetzt. Neben der Rekombination von freien Elektronen mit Löchern existiert
ein anderer Rekonbinationstyp 1 der nicht zur Erzeugung von elektromagnetischen
Wellen im langweiligen Infrarot beiträgt und daher die Leistung reduziert. Aus diesem
Grunde sollte die Konzentration des Akzeptors in dem p-Bereich minimal sein. Bevorzugt
wird jedoch anstelle des p-Bereichs ein n-p - Kontakt verwendet,
wobei
der p - Bereich eine große Donator- und Akzeptorkompensation besitzt.
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Die Frequenz des optischen Phonons (TO-Phonon) in dem Halbleiter
variiert mit dem Material des Halbleiters. Im Falle von Halbleitern der Gruppe III-V
entspricht die Frequenz hiervon einer Wellenlänge von etwa 20 Wm bis 100 Wm. Daher
kann auf diese Weise ein Generator für elektromagnetische Wellen für einen weiten
Bereich des langwelligen Infrarots (etwa mit einer Wellenlänge von 1 Otim bis 300cm)
durch Wahl verschiedener Materialien anstelle von GaP hergestellt werden. Da TO-Phononen
in einer derartig getrennten Verteilungsbeziehung,wie in Fig. 2 dargestellt, verteilt
sind, kann die Frequenz der langwelligen Infrarotwelle kontinuierlich zur niedrigeren
Frequenzseite als diejenige der TO-Phononen geändert werden. Zu diesem Zweck kann
einer der Reflektcren des Resonators durch ein Beugungsgitter 11 für langwelliges
Infrarot ersetzt werden, wie in Fig. 5 dargestellt ist, wobei der Winkel hiervon
eingestellt werden kann, um die Wellenlänge der zu erzeugenden elektromagnetischen
Welle zu ändern.
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In diesem Fall kann das Licht einer gewünschten Wellenlänge selektiv
einer rückweisenden Reflektion unterworfen werden, um eine Rückkopplung zu bewirken,
wie in Fig. 5 durch die Bezugsziffern 12 und 13 angedeutet ist.