DE3102930C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser für den langwelligen infraroten Spektralbereich nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-OS 22 12 862 ist ein derartiger Halbleiterlaser bekannt, bei dem die Besetzungsinversion durch optisches Pumpen erfolgt.

Ferner ist aus der US-PS 36 11 180 ein Halbleiterlaser bekannt, bei dem die Besetzungsinversion durch Elektronenstoßanregung erfolgt. Hierbei wird Silizium oder Germanium als Halbleitermaterial verwendet. Da hierbei Übergänge zwischen niedrigen Energieniveaus der verwendeten Fremdatome ausgenutzt werden, wobei kein Licht emittierende Übergänge von Phononen im langwelligen infraroten Spektralbereich stärker zur Geltung kommen, ist es für diesen Spektralbereich schwierig, wirksame lichtemittierende Übergänge zu erhalten.

Ferner ist aus der JP-PS 51-17 397 ein Halbleiterlaser zur Erzeugung von kohärenten elektromagnetischen Wellen mit einer Wellenlänge im Submillimeterbereich bis zum langwelligen Infrarot (10 µm bis 1 mm) bekannt, bei dem eine Gittervibration und der Raman-Effekt ausgenutzt werden, um Photonen zu erzeugen. Die Leistung ist jedoch unbefriedigend.

Beim Bestrahlen eines Halbleiterlasers mit Licht einer Frequenz ω₀ wird eine Gittervibration ω _r in dem Halbleiter und hiermit eine Raman-Streuung ω _s,a = ω₀ ± ω _r angeregt. Die Raman-Streuung erzeugt ihrerseits Licht mit der Frequenz l _s,a . Somit wird eine kohärente Gittervibration ω _r aufgrund der Oszillation des Lichtes angeregt und gleichzeitig eine kohärente elektromagnetische Welle erzeugt.

Die Driftgeschwindigkeit v _d der Elektronen (oder Löcher) kann entweder durch Anlegen einer Gleichspannung oder durch Mikrowelleneinstrahlung vergrößert werden, bis die in ihrer Mehrzahl longitudinalen Phononen angeregt werden können. Die Wellenlänge der longitudinalen Phononen, die durch die Kollision zwischen den Elektronen und dem Gitter erzeugt werden, ist jedoch kürzer als diejenige der mit der Lichtquelle koppelnden transversalen optischen Phononen, so daß eine Phasenanpassung an die Lichtwelle nicht zu erreichen ist. Bei der Kollision eines Elektrons mit Verunreinigungen tritt das unerwünschte Problem der Phasenanpassung nicht auf, so daß vermieden werden kann, daß die Wellenlänge der erzeugten Phononen kürzer als diejenige der Lichtwellen ist. Zusätzlich sind die Phononen, die auf diese Weise erzeugt werden, nicht auf longitudinale Phononen begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleiterlaser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der ohne optisches Pumpen allein durch Stoßanregung mit freien Ladungsträgern arbeiten kann.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem hierbei verwendeten polaren Verbindungshalbleiter gelangt das transversale optische Phonon direkt mit dem elektromagnetischen Feld im langwelligen Infrarotbereich in Wechselwirkung, um ein Polariton zu bilden, so daß die Anregung der Fremdatome im Halbleiter durch einen Polaritonenstrom stimuliert wird. Hierdurch ergibt sich ein Halbleiterlaser hoher Leistung.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Energieniveauschema für einen GaP-Kristall, der Tellur als Donatorverunreinigung enthält, wobei ein Grundzustandsniveau und angeregte Niveaus der Verunreinigung dargestellt sind.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Beziehung zwischen der Frequenz ω _r und der Wellenzahl k der im GaP-Kristall erzeugten Polaritonen, wenn die Wellenzahl k klein ist.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Halbleiterlaser.

Fig. 4A und 4B zeigen eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterlasers und ein Energieniveauschema hiervon nach Anlegen einer Vorspannung.

Fig. 5 zeigt eine zusätzliche Ausführungsform eines Halbleiterlasers.

Fig. 1 zeigt die Energieniveaus eines Donators in dessen Grundzustand und in angeregten Zuständen, wenn der Halbleiter ein GaP-Kristall und der Donator Te ist. Jedoch ergibt sich praktisch dasselbe Bild, wenn anstelle von Te als Verunreinigung Se oder S verwendet wird. Der Grundzustand von Te in dem GaP- Kristall liegt etwa 90 meV unterhalb des Leitungsbandes. Daher sind die meisten Elektronen in einem n-leitenden GaP-Kristall im Grundzustand, wenn der Kristall auf eine Temperatur von etwa 80 K oder niedriger gekühlt ist. Freie Ladungsträger in dem Kristall kollidieren bei Anlegen eines starken elektrischen Feldes mit den Te-Fremdatomen, wodurch Elektronen der Fremdatome zu höheren Energieniveaus - Übergangsniveaus oder das Leitungsband - angeregt werden, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Hierbei spielen Auswahlregeln mit. Bei dem Energieniveauschema von Fig. 1 werden beispielsweise die Elektronen vorzugsweise vom Grundzustand 1SA₁ auf ein höheres Niveau 2P₀ oder in das Leitungsband angeregt, jedoch selten auf das Niveau 1SE. Andererseits fallen die auf das Energieniveau 2P₀ oder höher angeregten Elektronen auf niedrigere Energieniveaus mit oder ohne Strahlungsemission zurück. Allgemein ist im Falle der niedrigen Energieniveaus der Fremdatome die Wahrscheinlichkeit einer Strahlungsemission gering, was bedeutet, daß die angeregten Elektronen auf niedrigere Niveaus zurückfallen, indem sie Phononen erzeugen.

Obwohl sich diese Ausführungen auf eine Donator-Verunreinigung beziehen, können anstelle von Donatoren ebenso Akzeptoren und andere tiefere Niveaus als die oben erwähnten von irgendwelchen anderen Verunreinigungen wirksam sein, vorausgesetzt daß die Energieniveaus in den angeregten Zuständen erreichbar sind.

In Fig. 2 ist die Beziehung zwischen der Frequenz ω _r und der Wellenzahl k der Polaritonen dargestellt, wobei auf der Ordinate ℏω _r und auf der Abszisse ℏck in meV angegeben sind. Wenn die Wellenzahl k klein ist, koppelt die elektromagnetische Welle im langwelligen Infrarot mit dem Phonon unter Bildung eines Polaritons und die Frequenz ω _r nimmt ab, wobei gleichzeitig der Beitrag der elektromagnetischen Welle zum Polariton relativ groß wird. Wenn das Polariton bei einer Wellenzahl k in dem Frequenzbereich, in dem das Phonon mit der elektromagnetischen Welle wechselwirkt, erzeugt wird, wird das Phonon abgegeben und die elektromagnetische Welle angeregt. Daher kann die Verstärkung der elektromagnetischen Welle bewirkt werden, obwohl dieser Vorgang zunächst strahlungslos zu sein scheint.

Der in Fig. 3 dargestellte Halbleiterlaser umfaßt zwei einen Fabry-P´rot- Resonator bildende Reflektoren 1, 2, die mit einem reflektierenden Material beschichtet sind, um einen hohen Gütefaktor bei einer gewünschten Frequenz ω _ro im langwelligen Infrarotbereich zu erhalten, einen Halbleiterkörper 3 in Form eines GaP-Kristalls und Elektroden 4, 5 zum Anlegen eines elektrischen Stroms, die mit einer Gleichstromquelle 6 verbunden sind. Wenn Polaritonen mit ω _ro mit Elektronen der Fremdatome, die durch Stoßionisation, erzeugt durch Anlegen eines elektrischen Stroms an die Elektroden 4, 5, auf höhere Energieniveaus angeregt wurden, wechselwirken, fallen diese Elektronen entsprechend der Energiedifferenz ℏω _ro auf niedrigere Niveaus. Wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, beträgt eine Energiedifferenz zwischen 1SE und 2P₀ oder einem höheren Niveau etwa 30 meV bis 50 meV. Des weiteren werden die Elektronen durch die Stoßionisation selten in das 1SE-Niveau angeregt. Daher können Übergänge von höheren Energieniveaus auf das 1SE-Niveau, wie in Fig. 1 durch eine Wellenlinie angedeutet, unter Erzeugung von Polaritonen stattfinden. Auf diese Weise werden Polaritonen im Bereich von 30 bis 45 meV erzeugt und verstärkt.

Die Besetzungsinversion kann durch Beschleunigen von thermisch angeregten freien Elektronen mittels eines angelegten elektrischen Stromes erzeugt werden, wodurch die Fremdatome beschossen und hierdurch angeregt oder ionisiert werden.

Gemäß Fig. 4A ist ein p-i-n-Halbleiterkörper 3 (oder gegebenenfalls ein n-i- oder p-i-Halbleiterkörper) vorgesehen, wobei der i-Bereich eine relativ niedrige Verunreinigungskonzentration besitzt, und wobei diese Verunreinigung an der Erzeugung der Laserwellen teilnimmt. Fig. 4B zeigt ein Energieniveauschema, wenn eine Spannung über den n-i-Übergang in Durchlaßrichtung angelegt ist. In diesem Fall werden freie Elektronen, die in die i-Schicht injiziert werden, durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes beschleunigt, um die Te-Fremdatome zu beschießen. Dieser Beschuß regt seinerseits die Elektronen auf die Energieniveaus der angeregten Zustände, wie durch den Zusatz "⁺a" in Fig. 4B angedeutet ist, oder durch Ionisierung auf das Leitungsband, wie durch den Zusatz "⁺b" angedeutet ist, an. Die auf die Übergangsniveaus angeregten Elektronen fallen in den Grundzustand unter Emission von Polaritonen zurück. Das elektrische Feld muß eine solche Größe besitzen, daß es nicht ausreicht, die Te-Fremdatome vollständig zu ionisieren.

Alternativ kann das elektrische Feld in Sperrichtung angelegt und zusammen mit freien Elektronen, die in der i-Schicht freigesetzt werden, zur Erzielung der Besetzungsinversion verwendet werden. Durch Verwendung eines p-i-Übergangs anstelle eines n-i-Übergangs können Löcher beschleunigt werden, die mit den Fremdatomen kollidieren. Die i-Schicht kann bei Raumtemperatur einen relativ hohen spezifischen Widerstand besitzen. Selbst wenn sie eine Verunreinigungskonzentration von etwa 10¹⁷/cm³ Te aufweist, kann sie einen genügend hohen Widerstand bei 150 K aufweisen, um das Anlegen eines elektrischen Feldes zu ermöglichen. Wenn die Verunreinigung in der p-Schicht durch Zn ersetzt wird, können selbst bei 150 K Löcher aufgrund der niedrigen Energieniveaus des Zn existieren. Es ist daher möglich, Löcher in die n-Schicht zu injizieren, die eine i-Schicht bei niedrigen Temperaturen wird, und zu beschleunigen, um die Fremdatome zu beschießen, wodurch sich deren Stoßanregung ergibt.

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 Raumtemperatur ionisiert ist und die Leistung geringer wird. Als Verunreinigungen werden solche bevorzugt, die ein tiefes Energieniveau besitzen, um einen Halbleiterlaser für langwelliges Infrarot herzustellen, der bei Raumtemperatur arbeitet. Da dort eine Vielzahl von tiefen Niveaus und ebenso eine Vielzahl von Übergangsniveaus existiert, können geeignete Paare von Energieniveaus in den angeregten Zuständen gefunden werden. Beispielsweise erzeugt Sauerstoff 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 gemäß Fig. 1. Daher ist dieser Wert zur Erzeugung der Laserstrahlung bei Raumtemperatur geeignet.

Die Frequenz des transversalen optischen Phonons in dem Halbleiterkörper 3 variiert mit dem Halbleitermaterial. Im Falle von polaren Verbindungshalbleitern vom Typ A_IIIB_V entspricht die Frequenz einer Wellenlänge von etwa 20 bis 100 µm. Daher kann man hiermit einen Halbleiterlaser für einen weiten Bereich des langwelligen Infrarots (mit einer Wellenlänge von etwa 10 bis 300 µm) durch Wahl entsprechender Materialien anstelle von GaP herstellen. Wegen der Dispersionsbeziehung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, kann die Frequenz des erzeugten langwelligen Infrarots kontinuierlich zur niedrigeren Frequenzseite hin, im Vergleich zu derjenigen der transversalen optischen Phononen, geändert werden. Zu diesem Zweck kann einer der Reflektoren des Resonators durch ein Beugungsgitter 11 für langwelliges Infrarot ersetzt werden, vgl. Fig. 5, wobei der Winkel des Beugungsgitters 11 eingestellt werden kann, um die Wellenlänge der zu erzeugenden Laserstrahlung zu ändern. In diesem Fall kann das Licht einer gewünschten Wellenlänge selektiv einer Reflexion unterworfen werden, um eine Rückkopplung zu bewirken, wie sie in Fig. 5 bei 12 und 13 angedeutet ist.

Claims (8)

1. Halbleiterlaser für den langwelligen infraroten Spektralbereich, der

• a) einen einkristallinen Halbleiterkörper (3) aus einem polaren Verbindungshalbleiter vom Typ A_IIIB_V enthält, welcher mit Fremdatomen mindestens eines Dotierstoffs verunreinigt ist, und
• b) einen Resonator zum Rückkoppeln der elektromagnetischen Wellen sowie
• c) Mittel (4, 5 und 6) zum Injizieren eines elektrischen Stroms in den Halbleiterkörper aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• d) die Fremdatome durch Stoß mit freien Ladungsträgern auf ein höheres Energieniveau ihrer Eigenzustände innerhalb des Halbleiterkörpers (3) angeregt werden, wodurch die für den Laserbetrieb notwendige Besetzungsinversion erzeugt wird, und
• e) die Energiedifferenz zwischen den an der Strahlungsemission beteiligten Energieniveaus der Fremdatome mit der Energie eines Polaritons des Halbleiterkörpers (3) übereinstimmt, das die Strahlungsemission induziert.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter ein GaP-Kristall und die Verunreinigung eine Donator-Verunreinigung ist.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigung aus Te, Se und S ausgewählt ist.

4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigung eine Akzeptor-Verunreinigung ist.

5. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Reflektoren des Resonators ein Beugungsgitter (11) ist.

6. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Halbleiterkörper (3) ein p-i-, n-i- oder p-i-n-Kontakt gebildet ist, wobei die i-Schicht einen relativ hohen spezifischen Widerstand aufweist.

7. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Reflektoren des Resonators ein Beugungsgitter (11) ist.