NL7900668A

NL7900668A - Inrichting voor het opwekken of versterken van coheren- te electromagnetische straling, en werkwijze voor het vervaardigen van de inrichting.

Info

Publication number: NL7900668A
Application number: NL7900668A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1978-11-08
Filing date: 1979-01-29
Publication date: 1980-05-12
Also published as: DE2925648A1; AU4779979A; IT1121253B; US4359776A; GB2033647A; FR2441935A1; DE2925648C2; IT7923273A0; SE7909119L

Description

• w — — tr * i PHN 9339 . _________________________________________________________________________________________________________ N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

"Inrichting voor het opwekken xsf versterken van coherente electromagnetische straling, en werkwijze voor het vervaardigen van de inrichting".

De uitvinding heeft betrekking op een halfgeleider-inrichting voor het opwekken of versterken van coherente electromagnetische straling, met een halfgeleiderlichaam bevattende een strookvormig actief gebied met een praktisch 5 evenwijdig aan een oppervlak lopende pn-overgang, en aan ' weerszijden van deze pn-overgang gelegen contactorganen om stroom aan de pn-overgang toe te voeren, waarbij een der contactorganen een boven het actieve gebied op.het oppervlak gelegen elektrodelaag bevat die binnen een strookvor-10 mig contactgebied met een'goed geleidend deel van het half-· geleideroppervlak een stroomtoevoereontact vormt.

De uitvinding heeft bovendien betrekking op een werkwijze ter vervaardiging van de inrichting.

Inrichtingen van de beschreven soort worden meestal toe-15 gepast in de vorm vanhalfgeleiderlasers, in welk geval het actieve gebied zich bevindt binnen een resonator, die meestal gevormd wordt door twee evenwijdige splijtvlakken van het halfgeleiderkristal.

De inrichting kan echter ook als selectieve versterker 20 van coherente straling dienen, in welk geval geen reflectie-organen worden toegepast.

Een halfgeleiderinrichting van de beschreven soort, in het onderhavige geval een laser, is bijvoorbeeld bekend uit Philips Technical Review, Vol. 36, No. 7> 1976, blad-25 zijde 190-200.

Halfgeleiderlasers met een strookvormig actief gebied hebben in het algemeen de eigenschap, dat de in het actieve gebied versterkte elektromagnetische golven in ver- 790 06 68 , 2...

V

* PHN. 9339_______________________________________________________________________-__________________________ schillende modi kunnen oscilleren. Voor zover het golfcompo-nenten betreft die zich voortplanten in de lengterichting van het strookvormige actieve gebied spreekt men hierbij van longitudinale modi, voor golfcomponenten met een voort-5 plantingsrichting in de dikterichting van transversale modi, en voor golfcomponenten die zich voortplanten in de breedterichting van het strookvormige gebied van laterale modi.

Voor veel toepassingen, in het bijzonder voor communi-10 catiedoeleinden, is het gewenst dat het aantal mogelijke trillingsmodi zoveel mogelijk beperkt wordt, zodat bij voorkeur voor slechts één trillingsmode de laserversterking voldoende is om-de oscillatie in stand te houden..

Voor de transversale en laterale modi zijn reeds een 15 aantal maatregelen voorgesteld om dit te bereiken. Voor de transversale modi kan dit bijvoorbeeld gebeuren door een doelmatige keuze van de dikte van het actieve gebied en van het verloop van de brekingsindex in de dikterichting in en nabij het actieve gebied. Voor de laterale modi kan 20 eveneens een beperking tot één trillingsmode worden gerealiseerd door een geschikte keuze van het verloop van de brekingsindex in de breedterichting van het actieve gebied. Verwezen wordt in dit verband bijvoorbeeld naar H. Kressel en J.K. Butler, "Semiconductor Lasers and Heterojunction 25 LED's", New York 1977, hoofdstuk 7.

Voor het beperken van het aantal longitudinale trillingsmodi is tot dusverre nog geen bevredigende oplossing gevonden. Aangezien de lengte van het strookvormige gebied, waarbinnen de stralingsversterking optreedt een zeer groot 30 aantal golflengten bedraagt, is het aantal mogelijke trillingsmodi in de Fabry-Pérot trilholte tussen de reflectie-organen ook zeer groot.

Bij laserstrukturen, waarbij de reflectieorganen gevormd worden door op of nabij het actieve gebied, gerekend in de 35 lengterichting van dit gebied, een periodieke verandering van de brekingsindex en/of de dikte aan te brengen, de zo- 790 06 6 8 * 3 PHN 9339__________________________________________________________________________________________________________ .

genaamde DFB-("distributed feedback"-) struktuur, zoals deze bijvoorbeeld beschreven wordt in Applied Physics Letters, Vol. 15» februari 1971> bladzijde 152 t/m 15^ is men er weliswaar in geslaagd, het aantal longitudinale modi aan-5 zienlijk te beperken. Deze strukturen zijn echter wegens de zeer kleine periode van de brekingsindexvariatie,die in de orde van 1 golflengte is, technologisch zeer moeilijk te verwezenlijken.

De uitvinding beoogt onder meer, een halfgeleiderlaser 10 of - versterker aan te geven waarin het aantal longitudinale modi aanzienlijk beperkt kan worden en zelfs tot één kan worden gereduceerd, waarbij dit frequentie-selectieve gedrag praktisch onafhankelijk van de stroomsterkte is, terwijl de struktuur technologisch op reproduceerbare en re-15 latief eenvoudige wijze kan worden vervaardigd.

De uitvinding berust onder meer op het in^cht, dat· dit bereikt kan worden door gebruik te maken van een periodieke struktuur met een periode die aanzienlijk groter is dan een golflengte van de uitgezonden of versterkte 20 straling.

Volgens de uitvinding is een halfgeleiderinrichting van de in de aanhef beschreven soort daardoor gekenmerkt, dat het actieve gebied waarbinnen versterking van de straling plaatsvindt, langs een doorsnede in zijn lengte-25 richting over althans een deel van zijn totale lengte een gebied met een periodieke versterkingsvariatie in het golflengtegebied van de genoemde straling bevat, waarbij de periode van de versterkingsvariatie tenminste tien maal de golflengte van de uitgezonden of versterkte straling 30 binnen het halfgeleidermateriaal bedraagt.

Aangezien de periode van de versterkingsvariatie volgens de uitvinding tenminste 10 golflengten, in vele gevallen meer dan 100 golflengten bedraagt, is een struktuur waarbij dit het geval is veel eenvoudiger en beter repro-35 duceerbaar te realiseren dan bijvoorbeeld de bij de genoemde DFB-lasers gebruikte periodieke strukturen.

790 06 68 V - - * - PHN 9339________________::___________________________________________________________________________________________________________„

Met betrekking tot de uitdrukkingen "periodiek'’ en "periode" wordt opgemerkt, dat onder meer door technologi-scbe problemen geringe afwijkingen van een volkomen periodiciteit zullen kunnen optreden. Uit metingen is echter 5 gebleken, dat een afwijking tot 10$ van de zuivere periodiciteit nagenoeg geen nadelige invloed op de werking van de inrichting volgens de uitvinding heeft. Wanneer in deze aanvrage de term "periodiek" wordt gebruikt wordt hierbij derhalve een mogelijke afwijking tot 10$ van de zuivere 10 periodiciteit inbegrepen.

De keuze van de periode-afstand van de versterkingsva-riaties, van de verhouding tussen de maximum- en minimumwaarde van de versterking en van het aantal perioden ter verkrijging van de gewenste reductie (liefst tot één) van 15 de longitudinale modi hangt van verschillende omstandig heden af en berust onder meer op de volgende overwegingen.

Het verschil Δλ tussen de golflengten van de opeenvolgende mogelijke longitudinale trillingsmodi moet bij voorkeur tenminste zo groot zijn, dat slechts één mode voldoen-20 de versterkt wordt, terwijl de golflengten van de naastbij-liggende modi volgens de curve, die het verloop van de versterking als functie van de golflengte voor de beschouwde laser aangeeft, op plaatsen liggen waar deze versterking onvoldoende is om de trilling volgens deze mode in stand 25 te houden. .Voor dit verschil geldt: δ \

% L

waarin n' de effektieve brekingsindex, \ de golflengte van de uitgezonden straling in het actieve gebied voorstelt, 30 en L de periode, dat wil zeggen de afstand tussen twee opeenvolgende punten waar reflectie van de betreffende straling optreedt. Daarbij is n' = n ( 1 - - . ~ )waarbij n cl Λ n de brekingsindex van het halfgeleidermateriaal is.

Bij bekende lasers met stripcontact, waar de verster-35 king over het gehele actieve gebied vrijwel constant is, is de afstand L gelijk aan de afstand tussen de spiegel- 790 06 68 5 PHN 9339 _____________________ ____________________________________________________________________ .

vlakken, meestal de eindvlakken van het kristal. Deze afstand bedraagt enkele honderden ^um. Hieruit volgt voor gebruikelijke lasers voor Δλ een waarde van enkele tienden van nm. Het is duidelijk, dat bij een periode van bijvoor-5 beeld enkele tientallen yum de afstand a\ tussen golfleng ten van naburige modi zal toenemen tot bijvoorbeeld enkele nm, waardoor via het verloop van de versterking in afhankelijkheid van de golflengte het aantal modi waarvoor de versterking voldoende is om de trilling in stand te houden 10 sterk kan worden verminderd en zelfs tot één kan worden gereduceerd.

Volgens een voorkeurs—uitvoering is daarom de periode-afstand van de versterkingsvariaties ten hoogste gelijk aan een vijfde van de lengte van het actieve gebied.

15 De afstand Δ λ tussen opeenvolgende modi moet echter ook niet al te groot zijn, waardoor er gevaar zou kunnen bestaan dat er geen enkele mode gevonden kan worden waarvan de golflengte binnen het golflengtegebied ligt waarvoor voldoende versterking optreedt voor het in stand houden 20 van de straling. Het versterkingsprofiel vertoont in het algemeen een maximumwaarde voor een bepaalde golflengteA»0* Binnen het halfwaardegebied van het versterkingsprofiel, dat wil zeggen over het golflengtetraject tussen de golflengten waarvoor de versterking de helft van de maximale 25 versterking bedraagt, is de versterking voldoende om de straling in stand te houden. Een verdere voorkeursuitvoering is dan ook daardoor gekenmerkt, dat de afstand δΧ tussen opeenvolgende modi ten hoogste gelijk is aan de genoemde halfwaarde breedtej^_, dat wil zeggen in verband 30 met het bovenstaande dat de periodeafstand van de verster- \2 kingsvariatie ten minste gelijk is aan -- —t

-JU

Afhankelijk onder meer van de reflektie aan de over-gang tussen zones met verschillende versterking in het gebied van de periodieke versterkingsvariaties, kan de 35 combinatie van het aantal versterkingsvariaties en de periode-afstand ervan door de vakman experimenteel be- 790 06 68 - 6 _ „PHN 9339_______________________________________1___________________________________________________________________ paald worden. In het algemeen zal in het gebied met periodieke versterkingsvariatie bij een groter aantal perioden kunnen worden volstaan met een kleinere variatie in de versterking, en omgekeerd.

5 De versterkingsvariaties kunnen volgens de uitvinding op verschillende wijze worden gerealiseerd.

Volgens een eerste voorkeursuitvoering worden de periodieke versterkingsvariaties verkregen door een periodieke variatie in de breedte van het' strookvormige actieve ge-10 bied, over althans een deel van de lengte van dit gebied.

In het eenvoudigste geval worden daarbij delen van constante en onderling gelijke grotere breedte afgewisseld door delen van eveneens constante en onderling gelijke kleinere breedte. Een dergelijke struktuur is met behulp van een 15 zeer eenvoudig masker te realiseren. De overgang tussen de bredere en smallere delen kan echter ook minder abrupt zijn; zo kunnen de randen van het strookvormige actieve gebied bijvoorbeeld door golflijnen gevormd worden, of door zigzaglijnen.

20 Met voordeel kan een dergelijke variabele breedte van een deel van het actieve gebied gerealiseerd worden door een deel van het contactgebied tussen de ene electrode en het halfgeleideroppervlak een variabele breedte te geven, bijvoorbeeld door toepassing van een strookvormige^elektro-25 delaag met variabele breedte, of van een strookvormige opening met variabele breedte in een op het halfgeleideroppervlak aanwezige isolerende laag, binnen welke opening een electrodelaag met het halfgeleideroppervlak contact maakt. Volgens een andere methode, waarbij het actieve 30 gebied zijwaarts begrensd wordt door een halfgeleiderge- bied dat met het actieve gebied een pn-overgang vormt, of dat een bijvoorbeeld door een protonenbombardement verkregen zeer hoge soortelijke weerstand heeft, kan de grens tussen dit halfgeleidergebied en het actieve ge-35 bied de gewenste breedtevariatie bepalen.

Volgens een geheel andere voorkeursuitvoering worden 790 06 68 -7

Pm 9339 de periodieke versterkingsvariaties gerealiseerd door half-geleiderzones die in de lengterichting van het actieve gebied op regelmatige afstanden zijn gelegen en een van het aangrenzende halfgeleidermateriaal verschillende elektrische 5 geleidbaarheid vertonen. Bij voorkeur strekken deze zones zich vanaf het strookvormige contactgebied tot in nabijheid van het actieve gebied uit. Zij kunnen bijvoorbeeld verkregen worden door een protonenbombardement, doch ook op andere wijze bijvoorbeeld door contourepitaxie. Zij be-10 hoeven zich echter niet beslist tot aan het halfgeleider-oppervlak uit te strekken. Zij dienen zo aangebracht te worden dan de daardoor veroorzaakte stroomverdeling een maximale stroomdichtheid veroorzaakt op die plaatsen, die een maximale versterking moeten vertonen, een en ander zo-15 als in het voorafgaande beschreven.

Een zeer geschikte werkwijze ter vervaardiging van de laatstgenoemde inrichting is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt, dat op het oppervlak van een halfgeleiderplaat met een actieve laserlaag op regelmatige 20 afstanden in de lengterichting van het te vormen strookvormige actieve gebied eilandvormige metaallaagdelen worden aangebracht, en dat vervolgens het genoemde o pp er vide wordt onderworpen aan een protonenbombardement waarbij de genoemde metaallaagdelen tegen dit bombardement maske-25 ren, waarbij de energie zodanig gekozen is dat de protonen tot op een geringe afstand van de actieve laag doordringen, waarna vervolgens op het onder-en bovenvlak van de halfgeleiderplaat elektroden worden aangebracht.

De uitvinding' zal thans nader worden beschre-30 ven aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden en de t ekening, waarin

Figuur 1 schematisch gedeeltelijk in perspectief een half-geleiderinrichting volgens de uitvinding toont,

Figuur 2 schematisch een dwarsdoorsnede volgens de lijn 35 II-II van Figuur 1 toont,

Figuur 3 schematisch het verloop van de versterking G- over 790 06 68 ~ 8 - PHN 9339 _________ ____________ ______________________________ de doorsnede III-III van het actieve gebied toont,

Figuur en B'versterkingsprofielen in de doorsneden volgens de lijnen AA' en BB' van het actieve gebied tonen, Figuur 5 het relatieve intensiteitsverloop van de straling 5 in de lengterichting van het actieve gebied weergeeft,

Figuur 6 en 7 bovenaanzichten van varianten van de inrichting volgens Figuur 1 en 2 tonen,

Figuur 8 schematisch gedeeltelijk in perspectief een andere uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding 10 toont,

Figuur 9 schematisch een dwarsdoorsnede volgens de lijn IX-IX van Figuur 8 weergeeft en

Figuur 10 schematisch een overeenkomstige dwarsdoorsnede van de inrichting van Figuur 8 en 9 weergeeft tijdens een 15 stadium van de vervaardiging.

De figuren zijn alle schematisch, en ter-wille van de duidelijkheid niet op schaal weergegeven. Overeenkomstige delen worden in de regal met dezelfde verwij-zingscijfers aangeduid.

20 Figuur 1 toont gedeeltelijk in perspec tief, en Figuur 2 toont in dwarsdoorsnede volgens de lijn II-II van Figuur 1 een halfgeleiderinrichting volgens de uitvinding. In dit voorbeeld is de inrichting een halfge-leiderlaser waarvan de lagenstruktuur een op zichzelf be-25 kende opbouw vertoont. Op een éénkristallijn substraat 1 (oriëntatie 001)) van n-type galliumarsenide GaAs met een doteringsconcentratie van ongeveer 10 atomen/cnr en een dikte van ongeveer 80^um is een epitaxiale laag 2 van n-type galliumalluminium arsenide (Al Ga1 As) met ca. 30 30 atoomprocenten aluminium (x=0,3) een doteringsconcentratie van ongeveer 3*10 ' tin atomen/cmr en een dikte van ongeveer 2yum aangegroeid. Daarop bevindt zich een ongeveer 0,3ynm dikke actieve laag 3 van p-type GaAs waarop zich weer een laag k van Al Ga„ As bevindt met hetzelfde atoöm-0 X 1 -x 35 percentage aluminium als laag 2, thans echter met een p- 17' 3 type dotering van ongeveer 5*10 1 germaniumatomen/cnr . Hier- 790 06 68' PH2T 9339 _________________________________________________________________________________________________________________________________ — 9 - op tenslotte bevindt zich een p-type contactlaag 5 van GaAs met een dikte van ongeveer 1,5/u® en een doteringsconcen- 18 / 3 tratie van ongeveer 10 germaniumatomen per cm . De grensvlakken tussen de lagen zijn met getrokken lijnen aangeduid.

5 De lagen 2 en 3 vormen met elkaar een praktisch evenwijdig met het oppervlak 6 lopende pn-overgang 7·

Verder bevinden zich in het halfgeleider-lichaam gebieden 8 met zeer hoge soortelijke weerstand, die zich van het oppervlak 6 tot ongeveer halverwege de laag h 10 uitstrekken en verkregen zijn door middel van een protonenbombardement. De gebieden 8 worden zijdelings begrensd door de zijvlakken van het halfgeleiderlichaam en door praktisch vertikale grensvlakken die het oppervlak 6 volgens de lijnen 9 en 91 snijden.

15 Op het boven- en ondervlak (zie Fig. 2) be vinden zich aan weerszijden van de pn-overgang 7 contactorganen in de vorm van electrodelagen 10 en 11, die in Fig. 1 ter wille van de duidelijkheid zijn weggelaten. In contact met de metaallaag 11 bevindt zich een koellichaam 20 12, bij voorkeur van een zowel elektrisch als thermisch goed geleidend materiaal (koper). Door aan de contactorganen 10 en 11 een spanning in de doorlaatrichting over de pn-overgang 7 aan te leggen, kan aan deze overgang een stroom worden toegevoerd. Daarbij vormt de metaallaag 11 25 binnen het strookvormige contactgebied dat gelegen is tus-'sen de lijnen 9 en 91 met een goed geleidend deel van het halfgeleideroppervlak 6 een stroomtoevoercontact. In de actieve laag 3 wordt daardoor een strookvormig actief* gebied gevormd waarvan de grenzen bij benadering bepaald wor-30 den door de loodrechte projectie van de lijnen 9 en 91 op de laag 3·

Dit strookvormige actieve gebied bevindt zich binnen een resonatorholte die gevormd wordt door de loodrecht op de lengterichting van het actieve gebied staan-35 de zijvlakken 13 en 13*· Dit zijn (110) splijtvlakken van het kristal die, door het grote verschil in brekingsindex 790 06 PHN 9339_________ _____ _________________ _______ -10- aan weerszijden van het splijtvlak, voldoende straling reflecteren om bij stroomdichtheden boven een bepaalde grenswaarde coherente laserstraling in stand te houden, die volgens de pijlen S aan het vlak 13 uittreedt.

5 Opgemerkt wordt dat onder het actieve gebied in deze aanvrage het gebied wordt verstaan waarbinnen in de bedrijfstoestand de versterking van de straling in de actieve laag positief is.

Bij bekende lasers met de hierboven beschreven 10 halfgeleiderstruktuur zijn de lijnen 9 en 9’ rechte, onder ling evenwijdige lijnen, die een strookvormig contactgebied en een strookvormig actief gebied van gelijkmatige breedte bepalen. Binnen een dergelijk actief gebied is de versterking van de uitgezonden straling langs een lengtedoorsnede 15 door het actieve gebied praktisch constant, terwijl ook het versterkingsprofiel, gemeten over een dwarsdoorsnede van het actieve gebied, overal praktisch gelijk is. Deze bekende lasers kunnen vaak in meerdere modi oscilleren.

Volgens de uitvinding echter bevat het actie-2Q ve gebied, waarbinnen versterking van de straling plaats vindt, langs een doorsnede in zijn lengterichting over al-thans een deel van zijn totale lengte een gebied met een periodieke versterkingsvariatie in het golflengtegebied van de genoemde straling, waarbij de periode van deze ver-25 sterkingsvariatie tenminste tienmaal de golflengte van de uitgezonden straling binnen het halfgeleidermateriaal bedraagt. Zie figuur 3 waarin schematisch het verloop van de versterking G- langs.eenlengtedoorsnede naast het midden van het door de lijnen 9 en 9' begrensde gebied is aange-30 duid. De periode-afstand van de versterkingsvariatie bedraagt 40 yum, dat is meer dan 160 maal de golflengte van de versterkte straling binnen het halfgeleidermateriaal, welke ca 250 nm bedraagt. In de uitvoeringsvorm volgens dit voorbeeld wordt de periodieke versterkingsvariatie ver-35 kregen door een periodieke variatie in de breedte van het praktisch door de projectie van de lijnen 9 en 9' begrensde 790 06 68 pp· 9339 11 strookvormige actieve gebied, over een deel van dit gebied. De afstanden a,b,c,d en p (zie fig. l) bedragen achtereenvolgens 5 yum, 15 ^um, 20 ^um, 20^um en 70yum. Het aantal perioden is vierj de periode-afstand van 4o^um is minder 5 dan een vijfde van de lengte (280yum) van het actieve gebied.

Opgemerkt -wordt verder, dat in de beschreven uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding niet alleen een periodieke variatie van de versterking in 10 de lengterichting van het actieve gebied optreedt, maar tevens een periodieke variatie van het versterkingsprofiel over de breedte van het actieve gebied. Dit is schematisch aangeduid in fig. 4. Pig. 4a toont het verloop van het versterkingsprofiel in een dwarsdoorsnede over de breedte van 15 het actieve gebied volgens de lijn AA' van Fig. 1, en Fig.

4B toont het verloop van het versterkingsprofiel over de dwarsdoorsnede BB’. Er zij op gewezen dat in de figuren 3 en 4 de versterking G- niet kwantitatief is uitgezet, doch alleen om de aard van het versterkingsverloop aan te geven, 20 waarbij in Fig. 4 tot uitdrukking wordt gebracht dat de versterkings-waarde, in de genoemde naast het midden liggende lengtedoorsnede III-III*, in de'dwarsdoorsnede BB’ hoger is dan in de dwarsdoorsnede AA'.

Het blijkt, dat de hierboven beschreven laser 25 in slechts één longitudinale mode oscilleert, hetgeen toegeschreven moet worden aan de filterwerking van de periodieke struktuur. De afstand tussen modi van opeenvolgende orde bedraagt bij de hier gekozen afmetingen ongeveer 2 nm hetgeen, gezien de afhankelijkheid van de versterkingsfac-30 tor Gr van de golflengte, voldoende is om voor slechts één trillingsmode voldoende versterking te krijgen om de oscillatie in stand te houden.

In dit voorbeeld bedraagt de golflengte waarvoor de versterking maximaal is ongeveer 870 nm; de ef- d-ü 35 fectieve brekingsindex n'=n(l- — ) voor dezelfde golf lengte bedraagt ongeveer 5»1 en het verschily^tussen’de 790 06 68 - 12 PM 9339 _ _ beide golflengten waarvoor de versterking de helft bedraagt van die voor de golflengte *X0bedraagt 12 nm. Aangezien de periode-afstand (40yum) groter is dan ~'J\^ * kunnen geen twee opeenvolgende modi beide voldoende versterkt worden 5 voor het instand houden van lasertrillingen.

Doordat de verhouding van de minimum- en maximum breedte van het actieve gebied in het gedeelte met periodieke versterkingsvariatie voldoende groot is, is de reflectie aan de overgangen tussen de bredere en smallere 10 delen voldoende groot om met een viertal periodes te volstaan. De genoemde verhouding wordt bij voorkeur tenminste gelijk aan 1,5 en ten hoogste gelijk aan 5 gekozen. Bij een kleinere verhouding dan 1,5 is de reflectie aan de overgangen tussen de bredere en smallere delen zo klein 15 dat zeer veel periodes nodig zijn. Bij een grotere verhouding dan 5 wordt het oppervlak van de bredere gedeelten van het actieve gebied zo groot dat de totale benodigde stroomsterkte en de daarmee gepaard gaande nutteloze verliezen onaanvaardbaar groot kunnen worden.

20 Het verloop van de relatieve intensiteit I van de straling i'h het actieve gebied volgens de lengterichting van dit gebied is voor het hierboven beschreven geval berekend, en weergegeven in Figuur 5· Daaruit blijkt een belangrijk verder voordeel van de inrichting volgens 25 de uitvinding, namelijk dat de maximale intensiteit van de straling nabij de einden van de periodieke struktuur aanzienlijk hoger is dan bij de spiegels of splijtvlakken, die zich aan de uiteinden van de laser bevinden. Bij het vergroten van de stroomsterkte wordt de intensiteit ter 30 plaatse van de maxima verzadigd, bij een waarde van ongs-veer 10' Watt per cm , Dan treedt ook verzadiging (bij een veel lagere waarde dan bij de maxima ) op aan de spiegelvlakken, waardoor het gevaar voor beschadiging van deze spiegelvlakken veel geringer is dan bij conventionele la-35 sers, waar de maximum intensiteit juist aan de spiegelvlakken optreedt.

790 06 68 13 PHN 9339 __

De beschreven inrichting kan geheel volgens conventionele technieken worden vervaardigd. Het achtereenvolgens epitaxiaal aangroeien van halfgeleiderlagen van verschillende samenstelling is in de technologie van de he-5 terojunctie-lasers algemeen bekend, en wordt in de vaklite ratuur op verschillende plaatsen in detail beschreven. Gewezen wordt bijvoorbeeld op het boek van D.Elwell en H.

J.Scheel, Crystal Growth from High Temperature Solutions, Academic Press 1975» bladzijde 433 t/m 467. Op het ver-10 vaardigen van de lagenstruktuur behoeft hier dan ook niet nader te worden ingegaan. Het protonenbombardement ter vorming van de praktisch isolerende gebieden 8 kan, met behulp van een geschikte maskering van bijvoorbeeld goud, geschieden bij een energie van bijvoorbeeld ongeveer 300 KeV 15 en een dosis van ongeveer 10 J protonen/cm ; het uitgloeien van deze implantatie geschiedt bij ongeveer 500°C gedurende enkele minuten tijdens het oplegeren Van de elektrode-lagen.

Het gebied met variabele versterking kan 20 zich over de gehele lengte van het actieve gebied uitstrekken; over het algemeen zal men er echter naar streven het aantal perioden niet groter te maken dan noodzakelijk om ongewenste stroomverliezen te voorkomen.

Bij de beschreven laser wordt zoals eerder gezegd het ac-25 tieve gebied zijwaarts begrensd door een halfgeleiderge-bied 8 dat de stroom tot het actieve gebied beperkt en daarmee een de genoemde breedte-variaties bepalend grensvlak vertoont.

In het beschreven geval is dit een hoogohmig, door proto-30 nenbombardement verkregen gebied. Het is echter ook mogelijk, in het beschreven voorbeeld een gebied 8 toe te passen dat p-type geleidend is en met het aangrenzende n-type halfgeleidermateriaal een pn-overgang vormt, die de stroom tot het actieve gebied beperkt, bijvoorbeeld een door zink-35 diffusie gevormd gebied.

De reflectie aan de discontinuïteiten tussen 790 06^3 -14-.

PHN 9339 de actieve 'gebiedsdelen met grotere en kleinere breedte is bij het beschreven voorbeeld zo groot, dat met één spiegelvlak aan het eind van de laserstruktuur kan worden volstaan; de functie van het andere spiegelvlak wordt dan 5 overgenomen door de terugkoppeling via de periodieke struk-tuur. Dit geval is in bovenaanzicht schematisch aangegeven in Fig. 6. Het zijvlak 13’ is evenals in het vorige voorbeeld een splijtvlhk; het zijvlak 13 behoeft in dit geval niet reflecterend te zijn.

10 De vorm van de periodieke struktuur kan ook min der discontinu zijn, bijvoorbeeld zoals aangegeven in Fig.

7. Ook behoeft de lengte van de smallere delen van het actieve gebied niet gelijk te zijn aan die van de bredere delen.

Figuur 8 toont schematisch gedeeltelijk in pers-13 pectief, en Figuur 9 toont schematisch in dwarsdoorsnede volgens de lijn IX-IX in Fig. 8 een geheel andere uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding. Ook hier bevat de inrichting een halfgeleiderlichaam met een n-type actieve laag 3, w&a.Tln gestimuleerde stralings-versterking 20 kan optreden bij het toevoeren van een stroom in de door- laatrichting aan de pn-overgang 7 via het aanleggen van een spanning over de elektrodelagen 10 en 11 waarbij de elektrodelaag 11 weer in contact staat met een koellichaam 12. De elektrodelagen 10 en 11 alsmede het koellichaam 12 25 zijn in Fig. 8 ter wille van de duidelijkheid weggelaten.

Het actieve gebied, begrensd door de denkbeeldige, in Fig. 8 gestippelde lijnen 9 en 9 * wordt hier bepaald door een aantal rechthoekige gebieden 20 waarvan de lengterichting evenwijdig loopt aan de reflecterende splijtvlakken 30 13 en 13*, en waarvan de lengte 5ynm, de breedte J^van en de periode-afstand ZOyvm bedraagt. Dit zijn de gebieden waarin de stroomdichtheid het grootst is, en waarin derhalve in de actieve laag 3 de grootste versterking optreedt. Grenzend aan het bovenvlak is namelijk door middel van een 35 protonenbombardement een gebied 21 met zeer hoge soortelijke weerstand gevormd, dat zich vanaf het 790 06 68 --15- PHN 9339 _ ___________________________________________________________________________ bovenvlak tot op een afstand van ongeveer 1 ^um van de actieve laag 3 uitstrekt en door middel van gekruiste arcering in de figuren 8 en 9 is aangegeven. Tijdens het protonenbombardement werden de gebieden 20 gemaskeerd, zodat 5 het zich vertikaal daaronder uitstrekkende halfgeleiderge-bied goed geleidend is gebleven. Doordat het gebied 21 zich niet geheel tot aan de actieve laag 3 uitstrekt wordt de versterking in deze laag niet nadelig beïnvloed door verhoogde recombinatie ten gevolge van de door het protonen-10 bombardement teweeggebrachte roosterverstoring, terwijl bovendien de via de onder de gebieden 20 gelegen goed geleidende halfgeleidergebieden 20' lopende stroom zich boven de actieve laag 3 enigszins kan spreiden, waardoor de tussen de gebieden 20 onder het gebied 21 gelegen delen 15 van het actieve gebied nog voldoende stroom ontvangen om niet absorberend te worden voor de te versterken straling.

De uitvoeringsvorm van Fig. 8 en 9 vertoont in principe dezelfde voordelen van oscillatie in slechts één longitudinale trillingsmode als die volgens het vorige voorbeeld, 20 ofschoon de optredende versterkingsvariaties in dit geval geringer zullen zi'jn zodat over het algemeen een groter aantal perioden nodig zal zijn dan in het voorafgaande voorbeeld. Terwijl in het voorgaande voorbeeld het gewenste resultaat bereikt werd door een periodieke variatie niet al-25 leen van de versterking, doch van het gehele versterkings-profiel over de dwarsdoorsnede van het strookvormige actieve gebied, wordt in de inrichting volgens Fig. 8 en 9 door periodieke variatie in de stroomdichtheid over de lengte van het actieve gebied de versterking periodiek gevarieerd. 30 Daarbij dient er voor gezorgd te worden, dat de gebieden met maximale versterking, dat wil zeggen de gebieden ter plaatse van de rechthoeken 20, zich bevinden op plaatsen waar de versterkte staande golf een buik vertoont.

De inrichting volgens Fig. 8 en 9 kan met 35 voordeel op de volgende wijze vervaardigd worden.

Uitgegaan wordt van een halfgeleiderplaatje 2 790 06 68 + -16.~ ' PHN 9339 ...........________________________________________________________________J________________________________________ met een actieve laag 3, dat een 1agenstruktuur vertoont die bijvoorbeeld zowel in opbouw als in afmetingen gelijk is aan die volgens het voorbeeld van Figuur 1 en 2, met uitzondering van het gebied 8. Op het bovenvlak van deze la-5 genstruktuur wordt een metaallaag aangebracht met een samenstelling en een dikte die geschikt zijn om te maskeren, tegen het hierna volgende protonenbombardement. Door toepassing van gebruikelijke fotolithografische etsmethoden wordt uit deze metaallaag een patroon gevormd, dat slechts 10 bestaat uit de rechthoekige gebiedjes 20 (zie Figuur 10); overal elders wordt het metaal verwijderd. Hiertoe kan bijvoorbeeld op het metaal een fotolaklaag worden aangebracht die na belichten en ontwikkelen alleen ter plaatse van de gebieden 20 op het metaal blijft zitten waarna het niet 15 door de fotolak bedekte metaal door. etsen wordt verwijderd. Ook kan, alvorens het metaal aan te brengen, op het halfge-leideroppervlak een maskeringslaag worden aangebracht waarin, ter plaatse van de gebieden 20, openingen worden aan-' gebracht waarna op de maskeringslaag en in de openingen 20 een metaallaag wordt neergeslagen. Vervolgens wordt dan de maskeringslaag (bijvoorbeeld een siliciumoxydelaag) met het daarop gelegen metaal verwijderd, waarbij binnen de gebieden 20 het metaal blijft zitten. Deze methoden, of elke andere geschikte methode, kunnen worden gebruikt voor 25 het aanbrengen van de metaalstroken 20.

Vervolgens wordt (zie Figuur 10) het bovenvlak gebombardeerd met protonen (22), waarbij de energie en de dosis zodanig worden geregeld dat de protonen tot een diepte die nog ongeveer 1 yum van de actieve laag 3 verwijderd 30 is doordringen, en zo het gewenste gebied 21 met zeer hoge if.

soortelijke weerstand, bijvoorbeeld 10 Ohm cm vormen.

Vervolgens kunnen de elektroden 10 en 11 en het koellichaam 12 worden aangebracht, en kan de inrichting verder worden afgemonteerd. De splijtvlakken 13 en 13' 35 kunnen zowel vóór als na het protonenbombardement worden gevormd.

790 06 68

Claims

5 Zowel de halfgeleiderinrichting van Figuur 1 en 2 als die van Figuur 8 en 9 kunnen, in plaats van als laser, als selektieve versterker worden gebruikt. Daartoe worden de vlakken 13 en 13' voorzien van een anti-reflectie-laag. Ingaande straling (bijvoorbeeld vanuit een glasvezel) 10 treedt via bijvoorbeeld het vlak 13 binnen en treedt uit via het vlak 13'ï versterking treedt alleen op voor het nauwe.frequentiegebied dat bepaald wordt door de periodieke struktuur in het actieve gebied. De uitvinding is niet beperkt tot de gegeven 15 uitvoeringsvoorbeelden. Zo kunnen bijvoorbeeld in de in richting volgens Figuur 1 t/m 7 andere vormen voor de breedtevariaties van het actieve gebied worden toegepast dan die welke in de voorbeelden zijn aangegeven. Ook kan de vorm van het actieve gebied worden bepaald door de vorm 20 van de elektrodelaag 11, die dan in een patroon begrensd door de lijnen 9 en 9 ’ van Figuur 1, 6 en 7 wordt aangebracht. In dit geval kan onder omstandigheden desnoods het gebied 8 ook achterwege gelaten worden. Ook in de inrichting volgens Figuur 8 t/m 10 kunnen de gebieden 20 in een andere 25 vorm worden aangebracht, terwijl voor het vormen van de laag, opgebouwd uit de gebieden 21 en 20' in plaats van een protonenbombardement andere technieken, bijvoorbeeld selectieve epitaxiale aangroeiing, kunnen worden toegepast. Ook kunnen andere halfgeleidende laagstrukturen, en andere ge-30 schikte halfgeleidermaterialen worden toegepast, door de vakman uit de ruime op dit gebied bestaande literatuur te kiezen. CONCLUSIES i * 1. Halfgeleiderinrichting voor het opwekken of ver- 35 sterken van coherente electromagnetische straling, met een halfgeleiderlichaam bevattende een strookvormig actief gebied met een praktisch evenwijdig aan een oppervlak lopende 790 0 6 68 J ..18 _ 0* ΕΗΝ_. 9339__________________ ________________________________________________ -_______________ pn-overgang, en aan weerszijden van deze pn-overgang gelegen contactorganen om stroom aan de pn-overgang toe te voeren, waarbij een der contactorganen,een boven het actieve gebied op het oppervlak gelegen elektrodelaag bevat die bin-5 nen een strookvormig contactgebied met een goed geleidend deel van het halfgeleideroppervlak een stroomtoevoercontact vormt, met het kenmerk, dat het actieve gebied waarbinnen versterking van de straling plaatsvindt, langs een doorsnede in zijn lengterichting over althans een deel van 10 zijn totale lengte een gebied met een periodieke verster- kingsvariatie in het golflengte gebied van de genoemde straling bevat, waarbij de periode van de versterkingsvariatie ten minste tienmaal de golflengte van de uitgezonden of versterkte straling binnen het halfgeleidermateriaal be-15 draagt.
2. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het genoemde actieve gebied zich binnen een resonator-holte bevindt,
3. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1 of 2 20 met het kenmerk, dat de periode-afstand van de versterkings-variaties ten hoogste gelijk is aan een vijfde van de lengte - van het actieve gebied.
4. Halfgeleiderinrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de periode-afstand, van 25 de versterkingsvariaties ten minste gelijk is aan ---— j waarin λβ de golflengte is waarvoor de versterking maximaal is, n' de effectieve brekingsindex, en A het verschil tussen de beide golflengten, waarvoor de versterking de helft bedraagt van die voor de golflengte ·
5. Halfgeleiderinrichting volgens een der voor gaande conclusies, met het kenmerk, dat de periodieke versterkingsvariatie verkregen wordt door een periodieke variatie in de breedte van het strookvoimiige actieve gebied over althans een deel van de lengte van dit gebied.
6. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 5» met het kenmerk, dat in het gebied met variërende breedte delen van constante en onderling gelijke kleinere breedte 790 06 68 • V -19- * PHN 9339______________________________________________________________________________________________________ afgewisseld worden door delen van eveneens constante en onderling gelijke grotere breedte.
7. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 5 of 6 met het kenmerk, dat de verhouding van de maximumwaarde 5 tot de minimumwaarde van de breedte tenminste 1,5 en ten hoogste 5 bedraagt.
8. Halfgeleiderinrichting volgens een der conclusies 6 of 7 niet het kenmerk dat het actieve gebied zijwaarts begrensd wordt door een halfgeleidergebied dat de .stroom 10 tot het actieve gebied beperkt en met het actieve gebied een de genoemde breedte-variaties bepalend grensvlak vertoont.
9. Halfgeleiderinrichting volgens een der conclusies 1 t/m 5 met het kenmerk dat de periodieke versterkingsvari-aties verkregen worden door halfgeleiderzones die in de 15 lengterichting van het actieve gebied op regelmatige afstanden zijn gelegen en een van het aangrenzende halfgeleider-materiaal verschillende elektrische geleidbaarheid vertonen.
10. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 9 met het kenmerk dat de genoemde zones goed geleidend zijn en 20 omgeven worden door halfgeleidermateriaal met hoge soorte lijke weerstand.
11. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 9 met het kenmerk dat het halfgeleidermateriaal met hoge soortelijke weerstand een door protonenbombardement verkregen 25 laag is.
12. Werkwijze ter vervaardiging van een halfgeleider-inrichting volgens een der conclusies 9 t/m 11 met het kenmerk dat op het oppervlak van een halfgeleiderplaat met een actieve laserlaag op regelmatige afstanden in de lengte- 30 richting van het te vormen strookvormige actieve gebied eilandvormige metaallaagdelen worden aangebracht, en dat vervolgens het genoemde oppervlak wordt onderworpen aan een protonenbombardement waarbij de genoemde metaallaagdelen tegen dit bombardement maskeren, waarbij de energie zodanig 35 gekozen is dat de protonen tot op een geringe afstand van de actieve laag doordringen, waarna vervolgens op het onder- en bovenvlak van de halfgeleiderplaat elektroden worden aangebracht. 790 06 68