NL8300631A - Inrichting voor het opwekken van coherente straling. - Google Patents

Description

4 \ u PHN 10594 1 N.V. Philips’ Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

"Inrichting voor het opwekken van coherente straling".

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het op-

eb -Voyrr^ri1 /’C

wekken of versterken van coherente straling met ten minste een eerste lichaam voorzien van ten minste een eerste laag van voor het opwekken of versterken van dergelijke straling geschikt materiaal met ten minste 5 een actief gebied waarin in de gebruikstoestand bezettings invers ie wordt verkregen door middel van elektroneninjectie.

Een dergelijke inrichting kan, bijvoorbeeld wanneer de eerste laag een geschikt gekozen laag van halfgeleidermateriaal is, worden gebruikt als halfgeleiderlaser. Het actieve gebied bevindt zich dan binnen 10 een resonator die bijvoorbeeld gevormd wordt door twee evenwijdige splijt-vlakken van een kristal waartoe de eerste laag van halfgeleidermateriaal behoort. De inrichting kan echter ook als selectieve versterker van coherente straling dienen in welk geval geen reflectieorganen worden toegepast.

15 Voor het functioneren van een dergelijke laser of lopende golf- versterker is het noodzakelijk dat in de actieve laag bezettingsinversie optreedt. Van bezettingsinversie is sprake indien een hoger energieniveau sterker bezet is dan een lager energieniveau. In halfgeleiderlasers wordt deze inversie doorgaans opgewekt met behulp van elektrische stroom; met 20 name worden halfgeleiderlasers doorgaans uitgevoerd als injectielasers waarbij de stroom door een pn-overgang voor de benodigde injectie zorgt.

De genoemde pn-overgang kan zich hierbij tussen twee delen van de actieve laag uitstrekken of tussen de actieve laag en een aangrenzende passieve laag. Als materiaal voor de actieve laag van een dergelijke injectielaser 25 wordt veelal gedoteerd galliumarsenide (Ga As) gebruikt. De golflengte van de door een dergelijke laser uitgezonden electromagnetische straling bedraagt circa 900 nanometer.

Cm diverse redenen is het gewenst lasers te vervaardigen met geringe afmetingen die straling met een kortere golflengte uitzenden.

30 Zo is bijvoorbeeld bij het opslaan van informatie in beeld- en geluid-dragers (VLP, DOR, compact disc) de benodigde oppervlakte voor één bit informatie omgekeerd evenredig met het kwadraat van de golflengte. Een halvering van de golflengte biedt hier dus de mogelijkheid van een ver- 8300631 Γ t h PHN 10594 2 viervoudiging van de informatiedichtheid. Een bijkanend voordeel is dat bij kortere golflengtes met eenvoudiger optiek kan worden volstaan.

Om halfgeleiderlasers met een kortere golflengte te kunnen vervaardigen zou men gebruik kunnen maken van halfgeleidermaterialen met een 5 grotere verboden bandbreedte dan die van het genoemde gallium-arsenide. Materialen met een grotere verboden bandbreedte zijn bijvoorbeeld zinkoxyde (ZnO), cadmiumzinksulfide (CdZnS), zinksulfide (ZnS) en cadmiumzinkselenide (CdZnSe).

Een inrichting van de in de aanhef genoemde soort is bekend uit 10 het artikel "Temperature-Induced Wavelength Shift of Electron Beam Pumped Lasers from CdSe, CdS and ZnO" door I.M. Hvam, verschenen in Physical Review B, Volume 4,number 12, pagina 4459-4464 (15 december 1971). Daarin wordt een meetopstelling getoond waarmee laser-eigenschappen van II-VT verbindingen worden onderzocht door deze te beschieten met elektronen uit een 15 elektronenkanon. In het genoemde artikel wordt aangetoond dat bijvoorbeeld in zinkoxyde (ZnO) en cadmiumsulfide (CdS) gestimuleerde emissie optreedt met bijbehorende golflengten van respéktievelijk circa 400 nanometer en circa 500 nanometer.

Zinkoxyde en cadmiumsulfide zouden derhalve zeer geschikt zijn 20 voor de vervaardiging van een halfgeleiderlaser voor korte golflengten, ware het niet dat het tot nu toe onmogelijk is gebleken in uit deze materialen vervaardigde halfgeleiderlichamen een pn-overgang aan te brengen waarmee door middel van een elektrische stroom injektie en populatie-inversie in een aktieve laag kan worden verkregen. De in het genoemde 25 artikel voor experimenteel gebruik beschreven apparatuur is uiteraard te omvangrijk en te duur voor inbouw in VLP-apparatuur etcetera.

De onderhavige uitvinding stelt zich ten doel een inrichting van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen waarbij deze problemen zich niet of nauwelijks voordoen.

30 Tevens stelt zij zich ten doel een laser of lopende golf-verter- ker te verschaffen die bij kamertemperatuur werkzaam is tot in het blauw of ultraviolet.

Ook voor dergelijke inrichtingen die bij langgolviger elektromagnetische straling werken is een inrichting volgens de uitvinding toe-35 pasbaar.

Een inrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de inrichting voorzien is van een halfgeleiderinrichting met ten minste een halfgeleiderkathode voor het opwekken van een elektronenbundel.

8300631 PHN 10594 3

De uitvinding berust op het inzicht dat net behulp van een half-geleiderkathode een elektronenstrocm met grote strocmdichtheid op eenvoudige wijze in de aktieve laag kan worden geïnjekteerd.

De inrichting volgens de uitvinding biedt diverse voordelen. In 5 de eerste plaats kunnen hiermee lasers of lopende golf-versterkers worden gefabriceerd die bij kamertemperatuur elektromagnetische straling van zeer korte golglengte (ca. 400-500 nanometer) uitzenden, hetgeen de hierboven genoemde voordelen biedt van verhoogde informatiedichtheid en eenvoudiger optiek in apparatuur voor beeld-, geluids- en informatieregis-10 tratie (VLP, compact disc,DOR).

Bovendien kan een dergelijke inrichting zeer klein worden uitgevoerd bijvoorbeeld als vaste stof-inrichting of als een zeer kleine vakuümbuis met een halfgeleiderkathode waarbij het eerste lichaam met de aktieve laag wordt aangebracht op de plaats van de trefplaat. Een der ge-15 lijke vakuümbuis kan bij een bepaalde uitvoering van de halfgeleiderkathode zeer klein zijn, onder andere doordat voor de elektronenbron die de halfgeleiderkathode vormt als het ware een "virtueel" brandpunt kan worden gekozen. Een en ander is nader toegelicht in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470., van Aanvraagster, waarin ook de overige voordelen 20 van een dergelijke kathode zijn beschreven zoals net name de uniforme snelheidsverdeling van de elektronen, de eenvoudige elektronenoptiek van de buis en in vergelijking met gloeikathoden de snelle schakeltijd. Een dergelijke vakuümbuis is uiteraard veel kleiner dan een voor de beschreven experimenten gebruikelijk elektronenkanon.

25 Hoewel voor de aktieve laag diverse materialen kunnen worden gekozen zoals bijvoorbeeld halfgeleidende III-V-verbindingen bevat de genoemde eerste laag bij voorkeur een êênkristallijn halfgeleiderlichaam uit een II-VI-verbinding. Deze verbindingen bezitten doorgaans een grotere verboden bandbreedte en geven derhalve aanleiding tot straling met een 3qkortere golflengte.

Onder een III-V-verbinding wordt hier verstaan een verbinding uit tenminste één element uit de groep bestaande uit boor (B), aluminium (Al), gallium (Ga), indium (In) en thallium (Tl) met tenminste één element uit de groep bestaande uit stikstof (N), fosfor (P), arseen (As), antimoon 35 (Sb) en bismuth (Bi).

Onder een II-VI-verbinding wordt hier verstaan een verbinding uit tenminste één element uit de groep bestaande uit zink (Zn), cadmium (Cd) en kwik (Hg) met tenminste één element uit de groep bestaande uit 8300631 < » · £ PHN 10594 4 zuurstof (0), zwavel (S), seleen (Se) en telluur (Te).

Voor het verkrijgen van een specifieke golflengte kunnen deze verbindingen desgewenst met bepaalde doopstoffen zijn gedoteerd.

Het eerste lichaam kan bovendien voorzien zijn van verschillende 5 lagen van voor het opwekken of versterken van coherente elektromagnetische straling geschikt materiaal. "De verschillende lagen kunnen daarbij uit verschillend materiaal bestaan zodat met êên inrichting desgewenst straling van verschillende golflengten kan worden verkregen. Dit kan bijvoorbeeld van belang zijn bij (tele)ccmmunicatietoepassingen waarbij een golf 10 met een zekere golflengte als draaggolf fungeert, terwijl aan een andere golf met een verschillende golflengte door middel van modulatie van de elektroneninjektie een signaal wordt toegevoerd waarna de beide golven worden gesuperponeerd.

Ook kan êên eerste laag van eenzelfde materiaal meerdere aktieve 15 gebieden bevatten, bijvoorbeeld doordat tussenliggende delen van het aktieve gebied met behulp van ionenimplantatie of bijvoorbeeld etsen inak-tief gemaakt zijn.

Voor een goede laserwerking is het noodzakelijk dat de opgewekte elektromagnetische golf opgesloten blijft in de aktieve laag. Hiertoe be-20 vindt deze laag zich bij voorkeur tussen twee bekledingslagen met een lagere brekingsindex.

Voor de halfgeleiderkathode kunnen diverse soorten kathoden gekozen worden, bijvoorbeeld negatieve-elektronen-affiniteit kathoden of de kathoden zoals beschreven in de Nederlandse Octrooiaanvrage No, 7800987 25 of bijvoorbeeld de Britse Octrooiaanvrage No. 8133501.

Bij voorkeur echter bevat de halfgeleiderkathode een halfgeleider-lichaam met een pn-overgang tussen een aan een oppervlak van het halfge-leiderlichaam grenzend n-type gebied en een p-type gebied, waarbij door het aanleggen van een spanning in de keerrichting over de pn-overgang in 30 het halfgeleiderlichaam door lawinevermenigvuldiging elektronen worden gegenereerd die uit het halfgeleiderlichaam treden waarbij althans plaatselijk de pn-overgang in hoofdzaak evenwijdig aan het oppervlak loopt en een lagere doorslagspanning dan het overige deel van de pn-overgang vertoont waarbij het deel met de lagere doorslagspanning 'van het oppervlak 35 is gescheiden door een n-type geleidende laag met een zodanige dikte en dotering dat bij de doorslagspanning de uitputtingszone van de pn-overgang zich niet tot aan het oppervlak uitstrekt doch daarvan gescheiden blijft door een oppervlaktelaag die voldoende dun is cm de gegenereerde 8300631 it ·* EHN 10594 5 elektronen door te laten.

Met name bij toepassing van de kombinatie van een dergelijke kathode met het eerste lichaam in een vakuümbuis treden, zéker wanneer het halfgeleiderlichaam van de halfgeleiderkathode is voorzien van een 5 isolerende laag waarin ten minste een opening is aangebracht3^^^ isolerende laag langs de rand een versnellingselektrode is aangebracht, de hierboven genoemde voordelen op.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van enkele uitvoeringsvoorbeelden en de -tekening, waarin 1° Figuur 1 schematisch een inrichting volgens de uitvinding toont,

Figuur 2 schematisch een bovenaanzicht toont van een eerste lichaam, zoals gebruikt in de inrichting van Figuur 1

Figuur 3 schematisch een dwarsdoorsnede toont langs de lijn III- III in Figuur 2 15 Figuren 4 , 4 schematisch dwarsdoorsneden tonen langs de lijn IV- IV in Figuur 2

Figuur 5 schematisch in dwarsdoorsnede een deel van een halfgeleiderkathode toont zoals gebruikt in de inrichting van Figuur 1,

Figuur 6 schematisch een inrichting volgens de uitvinding toont, 20 die in één lichaam is gerealiseerd terwijl

Figuur 7 een variant toont van de inrichting volgens Figuur 6 en

Figuur 8 nog weer een andere variant toont.

De figuren zijn schematisch en niet op schaal getékend waarbij, 25 ter wille van de duidelijkheid, in de dwarsdoorsneden in het bijzonder de afmetingen in de dikterichting sterk zijn overdreven. Halfgeleiderzones van hetzelfde geleidingstype zijn in het algemeen in dezelfde richting gearceerd, in de figuren zijn overeenkomstige delen in de regel net dezelfde verwij zingscij fers aangeduid.

30 Figuur 1 toont een inrichting 1 met een eerste lichaam 2 voor zien van een laag voor het opwekken of versterken van coherente elektromagnetische straling. De inrichting 1 bevat volgens de uitvinding verder een halfgeleiderkathode 3 die in dit voorbeeld is gemonteerd op een eind-wand 4 van een hermetisch afgesloten vakuümbuis 5, terwijl het lichaam 2 35 zich op de andere eindwand 6 van de vakuümbuis 5 bevindt. De aktieve laag in het eerste lichaam 2 kan getroffen worden door een in de halfgeleiderkathode 3 opgewekte elektronenbundel 7. De vakuümbuis 4 is voorzien van een spoelenstelsel 8 om de tondel 7 af te kunnen buigen terwijl ten behoeve 8 3 0 0 6 3 1

* * I

PHN 10594 6 van elektrische aansluitingen de eindwand 4 is voorzien van doorvoeren 9.

De gebruikte halfgeleiderkathode en de daaraan verbonden voordelen, alsmede die van het gebruik van de vakuümbuis zullen naderhand worden besproken.

5 Het eerste lichaam 2 (zie de Figuren 2,3 en 4 ,4 ) op de eind wand 6 bestaat in dit voorbeeld uit een dragerlichaam 10 uit galliumarseen-fosfide waarop halfgeleiderstrukturen 11 ,11 zijn gemonteerd. Een dergelijke struktuur 11 bevat een strookvormige laag 13, die zich bevindt tussen twee bekledingslagen 14 en 15. Een dergelijke laserstruktuur die 10 bij kamertemperatuur blauw licht uitstraalt kan bijvoorbeeld vervaardigd worden met een aktieve laag 13 van zinkselenide (ZnSe) met een dikte tussen 100 en 300 nanometer, terwijl de bekledings lagen 14 en 15 uit zirik-seleensulfide (ZnSe S. „) bestaan met diktes van respektievelijk circa 100 nanometer en circa 50 nanometer.

15 Het dragerlichaam van GaAsP bevat gallium, arseen en fosfor in een zodanige verhouding dat een goede roosteraanpassing wordt verkregen.

Voor de in de aktieve laag opgewekte en versterkte golven geldt dat zij in verschillende modi kunnen oscilleren. Voor zover het golfccrar· ponenten betreft die zich voortplanten in de lengterichting van het strook-20 vormige aktieve gebied spreekt men hierbij van longitudinale modi, voor golfcomponenten met een voortplantingsrichting 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 is het gewenst dat het aantal mogelijke trillingsmodi zoveel 25 mogelijk beperkt wordt, zodat bij voorkeur voor slechts één trillingsmode de laserversterking voldoende is cm de oscillatie in stand te houden.

Voor de transversale en laterale modi zijn een aantal maatregelen bekend cm dit te bereiken. Voor de transversale modi wordt dit in het onderhavige voorbeeld bereikt door een geschikte keuze van de aktieve laag 30 13 (100-300 nanometer) en een geschikt verloop van de brekingsindex in de dikterichting in en nabij het aktieve gebied. Het zinkseleensulfide van de bekeldingslagen 14, 15 heeft namelijk een grotere verboden bandbreedte, en een langere brekingsindex dan het zinkselenide, waardoor de elektronen als het ware in de aktieve laag blijven opgesloten en oppervlakterékambi-35 natie wordt voorkomen. Hierdoor blijft de opgewekte elektromagnetische straling als het ware opgesloten in de aktieve laag. Voor de laterale modi kan eveneens een beperking tot êên trillingsmode worden gerealiseerd door een geschikte keuze van de breedte van het aktieve gebied of van het ver- 8300631 » 3- λ EHN 10594 7 loop van de brekingsindex in de breedterichting van het aktieve gebied.

In de inrichting van Figuur 4 wordt de breedte van de halfgeleiders truk-tuur en daarmee van het aktieve gebied beperkt tot bijvoorbeeld 1 a 20 micrometer.

5 Deze struktuur kan bijvoorbeeld worden verkregen door eerst de verschillende lagen 14,13,15 aan te brengen en daarna de strukturen 11, bijvoorbeeld door middel van etsen in patroon te brengen. In de inrichting van Figuur 4^3 is de zinkseleensulfidelaag 15 over de gehele struktuur aangebracht zodat de aktieve lagen 13 ook aan de zijkant worden ingesloten 10 door deze bekledingslaag.

Wanneer nu elektronen met een energie van circa 5 KeV het oppervlak 18 van de halfgeleider 11 treffen verliezen zij circa 800 eV aan energie in de eerste 50 nanometer van de laag 15, terwijl de overige energie in de volgende 150 nanometer van de struktuur 11 wordt opgencmen. De 15 aldus geïnjekteerde elektronen veroorzaken door elektron-gat paar creatie bezettings invers ie in de aktieve laag 13, zodat laserwerking kan optreden.

Voor het naar buiten treden van de opgewekte eléktro-magnetische straling 40 is de vakuümbuis 5 voorzien van één of meer vensters 19.

De beide halfgeleiderstrukturen 11,11"° kunnen identiek van op-20 bouw zijn, waarbij de elektronenbundel 7 deze strukturen afwisselend treft, hetgeen gunstig kan zijn in verband met de warmtehuishouding. De beide lasers werken dan in pulse-mode. Dit is echter niet strikt noodzakelijk. Uiteraard kan ook volstaan worden met één enkele struktuur 11, die dan bijvoorbeeld kontinu werkt.

3. b 25 De beide aktieve lagen 13,13° kunnen ook uit verschillende mate rialen bestaan, waarbij dan de bekledingslagen 14,15 zijn aangepast. Op deze manier wordt een inrichting verkregen waarbij bijvoorbeeld de ene struktuur 11 een langgolvige draaggolf uitzendt, terwijl kortgolvige straling van de tweede struktuur 11° bijvoorbeeld met behulp van een door 30 een tweede halfgeleiderkathode gestuurde elektronenbundel in intensiteit wordt gemoduleerd. Deze gemoduleerde straling wordt dan met in de Figuren niet nader aangegeven middelen op de draaggolf gesuperponeerd.

Zoals reeds vermeld kunnen, net name ten behoeve van kortgolvige straling, diverse II-VI-verbindingen als aktief materiaal worden gebruikt.

35 Deze verbindingen kunnen zonodig worden gedoteerd cm de golflengte van de opgewekte straling te veranderen.

Enkele mogelijke voorbeeldn zijn: -zirikoxyde, dat bij kamertemperatuur (ultra) violette straling 8300631 * V.

1 ) i PHN 10594 8 uitstraalt en zonodig gedoteerd kan worden met bijvoorbeeld lithium (met als resultaat rood licht) - cadmiumsulfide, dat bij kamertemperatuur groen licht uitstraalt - cadmiumselenide, dat bij kamer temperatuur rood licht uitstraalt 5 De halfgeleiderkathode 3 is van het type, zoals beschreven in de

Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470, waarbij de isolerende laag bijvoorbeeld twee lijnvormige openingen bevat en de versnellingselektrode 20

Si b twee deelelektreden 20 ,20 bevat die eveneens lijnvormige emittergebieden vrijlaten.

10 Doordat de kathode 3 elektronen emitteert met een zeer geringe spreiding in de energie is deze zeer geschikt on in een inrichting volgens de uitvinding te worden toegepast, in tegenstelling tot bijvoorbeeld gloei-kathoden of halfgeleiderkathoden waarbij de uitputtingszone van de emitterende pn-overgang aan het oppervlak vrijkomt, welke halfgeleiderelektro-15 den elektronen emitteren met een grote spreiding in de energie. Doordat de elektronen niet eerst worden geconcentreerd in een zogenaamde "crossover" blijft de energieverdeling smal.

Door de buitenste deelelektrode 20a een hogere positieve spanning te geven dan de binnenste deelelektrode 20b verlaten in dit voorbeeld de 20 elektronen 7 de kathode langs een afgeknot oppervlak, waarbij de elektronen als het ware uit de virtuele bron 21 komen. Dit maakt een kortere buis 5 mogelijk, terwijl anderzijds dynamisch focusseren mogelijk is door afhankelijk van de te treffen plaats met behulp van de spanningen op de deelelektroden 20a, 20b de plaats van de virtuele bron 21 te wijzigen.

25 Het feit dat de elektronen nu als het ware de kathode verlaten langs een (afgeknot) oppervlak en zich daardoor langs het oppervlak van de bundel bewegen heeft bovendien elektronenoptische voordelen zoals nader verklaard in de genoemde Nederlandse Octrooiaanvrage waarvan de inhoud bij referentie in deze Aanvrage is opgenomen.

30 Figuur 5 toont schematisch in dwarsdoorsnede de opbouw van een gedeelte van een dergelijke halfgeleiderkathode, met een halfgeleiderlichaam 22 in dit voorbeeld van silicium. Het halfgeleiderlichaam bevat in dit voorbeeld een aan een oppervlak 23 van het halfgeleiderlichaam drenzend n-type gebied 24, dat met een p-type gebied 25 de pn-overgang 26 vormt. 35 Door aanleggen van een spanning in de keerrichting over de pn-overgang worden door lawinevermenigvuldiging elektronen gegenereerd die uit het halfgeleiderlichaam treden. Dit is weergegeven door middel van de pijl 7 in Fig. 5.

8 3 0 0 6 3 Ί « EHN 10594 9

Het oppervlak 23 is voorzien van een elektrisch isolerende laag 27 van bijvoorbeeld siliciumoxyde, waarin tenminste een opening 28 is aangebracht. Binnen de opening 28 loopt de pn-overgang 26 vrijwel parallel aan het oppervlak 23. Verder is op de isolerende laag 27 op de rand van 5 de opening 28 een versnellingselektrode 20a,2Qb aangebracht, die in dit voorbeeld van polykristallijn silicium is. De pn-overgang 26 vertoont binnen de opening 28 plaatselijk een lagere doorslagspanning dan het overige deel van de pn-overgang. In dit voorbeeld wordt de plaatselijke verlaging van de doorslagspanning verkregen doordat binnen de opening 28 de 10 uitputtingszone 30 bij de doorslagspanning smaller is dan op andere punten van de pn-overgang 26. Het deel van de pn-overgang 26 met verlaagde doorslagspanning is van het oppervlak 23 gescheiden door de n-type laag 24. Deze laag heeft een zodanige dikte en dotering dat bij de doorslagspanning de uitputtingszone 30 van de pn-overgang 26 zich niet tot het oppervlak 15 23 uitstrékt. Hierdoor blijft een oppervlaktelaag 31 aanwezig die de geleiding van het niet geëmitteerde deel van de lawines troon verzorgt. De oppervlaktelaag 31 is voldoende dun on een deel van de door lawine vermenigvuldiging gegenereerde elektronen door te laten, welke elektronen uit het halfgeleiderlichaam 22 treden en de bundel 7 vonten.

20 De insnoering van de uitputtingszone 30 en daarmee de plaatse lijke verlaging van de doorslagspanning van de pn-overgang 26 wordt in het onderhavige voorbeeld verkregen door een hoger gedoteerd n-type gebied 32 binnen de opening 28 aan te brengen, dat met het n-type gebied 24 een p-n-overgang vormt.

25 De halfgeleiderinrichting is verder nog voorzien van een niet getoonde aans luitelektrode die via een contactgat verbonden is met de n-type contactzone 33 die met de n-type zone 24 is verbonden. De p-type zone is in dit voorbeeld aan de onderzijde gecontacteerd door middel van de metallisatielaag 34. Deze contactering vindt bij voorkeur plaats via 30 een hooggedoteerde p-type contactzone 35.

In het voorbeeld van Figuur 1 en 2 is de donorconcentratie in 18 3 het n-type gebied 24 aan het oppervlak bijvoorbeeld 5.10 atomen/cm terwijl de acceptor-ccncentratie in het p-type gebied 25 veel lager is, . 15 3 bijvoorbeeld 10 atomen/cm . Het hoger gedoteerde p-type gebied 32 bin- 35 nen de opening 28 heeft ter plaatse van de pn-overgang een acceptor- 17 3 concentratie van bijvoorbeeld 3.10 atcmen/cm , Hierdoor is ter plaatse van dit gebied 32 de uitputtingszone 30 van de pn-overgang 26 ingesnoerd hetgeen in een verlaagde doorslagspanning resulteert. Hierdoor zal de la- 8300631 PHN 10594 10 * 1 i- " s winevermenigvuldiging het eerst op deze plaats optreden.

De dikte van het n-type gebied 24 bedraagt in dit voorbeeld 0,02 micrometer. Bij de genoemde donor-concentratie kunnen voldoende donoren 5 worden geïoniseerd om de veldsterkte (ca. 6.10 V/cm) waarbij lawinever-5 menigvuldiging op gaat treden te bereiken terwijl toch een oppervlakte-laag 31 aanwezig blijft, waardoor enerzijds de geleiding naar de pn-over-gang 26 kan plaatsvinden, terwijl deze laag anderzijds dun genoeg is cm een gedeelte van de gegenereerde elektronen door te laten.

Het oppervlak 23 kan desgewenst nog voorzien zijn van een laag 36 10 van uittreepotentiaalverlagend materiaal zoals cesium of barium. Voor een verklaring van de werking alsmede voor enkele werkwijzen ter vervaardiging van een dergelijke halfgeleiderkathode zij verwezen naar de bovengenoemde Nederlandse Octrooiaanvrage No 7905470.

Figuur 6 toont een inrichting 1 volgens de uitvinding die geheel 15 als vaste-stof-inrichting is uitgevoerd. Het halfgeleiderkathodedeel 22 is hierbij praktisch identiek aan de inrichting van Figuur 5 onder weglating van de versnellingselektrode 20 en de laag 36, terwijl de isolerende laag 27 desgewenst minder dik kan zijn.

Het eerste lichaam 2 dat nu geen dragerlichaam bevat is nu direct 20 op de isolerende laag 27 aangebracht. Dit kan bijvoorbeeld geschieden door de aktieve laag 13 en de bekledingslagen aan te groeien met behulp van geavanceerde technieken zoals moleculaire bundel epitaxie (MBE) of metallo-organische darnpfase-epitaxie (MDVPE).

Hierbij kan de half geleiders truktuur 11 weer opgebouwd zijn als 25 een drielaagstruktuur met een aktieve laag 13 tussen twee bekledingslagen 14,15 zoals in het voorbeeld van de Figuren 2 t/m 4. In het onderhavige voorbeeld echter bevindt de aktieve laag 13 zich direkt op de laag 27 van isolerend materiaal, waarbij deze laag 27 en een elektrodelaag 37 die de versnelspanning verzorgt als bekledingslagen 15,14 c.q. spiegelvlakken 30 fungeren. De laag 27,15 maakt hierbij dus enerzijds deel uit van de halfgeleiderkathode 22, anderzijds van het lichaam 2, hetgeen in dit geval wil zeggen de halfgeleiderstruktuur 11. In bovenaanzicht gezien hebben de elektrode 37 en het gebied 32 in dit voorbeeld een langwerpige vorm met de lengteas loodrecht op het vlak van tekening van Figuur 6. Hierdoor is 35 het gebied waar bezettingsinvasie optreedt hoofdzakelijk beperkt tot het gebied aangegeven met het verwijzingscijfer 38. De elektromagnetische straling wordt nu uitgestraald in een richting praktisch loodrecht op het vlak van tekening.

8300631 EHN 10594 11 h

Een variant van de inrichting volgens Figuur 6 wordt getoond in Figuur 7. Hier wordt een halfgeleiderkathode 22 volgens Figuur 5 gebruikt onder weglating van de laag 36. Het lichaam 2/11 met een aktieve laag 13 en bekledingslagen 14,15 is nu rechtstreeks qp de halfgeleiderkathode 22 5 bevestigd. Bij voorkeur geschiedt deze montage -in een vakuümcmgeving zodat in de holte 39 praktisch geen restgassen achterblijven die de werking van de inrichting nadelig kunnen beïnvloeden

Ten behoeve van een venster voor het doorlaten van de opgewekte elektromagnetische straling kan de elektrode 20 nabij een uiteinde van 10 de langwerpige strife tuur 11 desgewenst onderbroken zijn; de onderbreking is dan opgevuld met stralingdoorlatend materiaal.

Desgewenst kan de versnellingselektrode 20 als dragerlichaam fungeren waarbij het dragerlichaam 10 kan vervallen. Het venster wordt dan aangebracht in de oxydelaag 27 (zie Figuur 8).

15 De halfgeleiderstruktuur 11 van Figuur 6 kan zonodig bedekt zijn mat een beschermend materiaal. Ook kunnen in plaats van uitsluitend de halfgeleiderstrukturen 11 soortgelijke lichamen 2 als getoond in de Figuren 3 en 4 worden gebruikt zodat de inrichting tevens is voorzien van een dragerlichaam 10 dat zonodig als koellichaam kan fungeren. Voor het overige 20 hebben de verwijzingscijfers in de Figuren 6,7 en 8 dezelfde betekenis als in de andere uitvoeringsvoorbeelden.

Het spreekt vanzelf dat de uitvinding niet beperkt is tot de hierboven getoonde voorbeelden maar dat voor de vakman binnen het kader van de uitvinding diverse variaties mogelijk zijn.

25 Zo kan men bijvoorbeeld met in de halfgeleidertechniek op zich bekende maatregelen bereiken dat de elektromagnetische straling, zoals ook is aangegeven in de Figuren 1 en 3, de halfgeleiderstruktuur slechts aan één uiteinde verlaat. In plaats van twee stroken 11 qp één lichaam 2 kan men desgewenst twee lichamen met elk één halfgeleiderstruktuur gebrui-30 ken. Ook hoeven meerdere aktieve gebieden 13 geenszins evenwijdig aan elkaar te worden gerealiseerd.

Het siliciumlichaam waarin de halfgeleiderkathode is vervaardigd kan naast de kathode zonodig andere halfgeleidercomponenten bevatten, zoals bijvoorbeeld trans is toren ten behoeve van besturingselektronika. Daar-35 naast kunnen in de inrichting van Figuur 1 maatregelen worden genoten cm degradatie van de halfgeleiderkathode te verminderen zoals voorgesteld is in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 8104893.

Ook ten aanzien van de materiaalkeuze voor de laserstruktuur 8300631 I * h EHN 10594 12 hoeft men zich, zoals reeds gesteld, geenszins te beperken tot II-VI-ver-bindingen maar kunnen diverse andere materialen gekozen worden zoals III-V-verbindingen, maar ook bijvoorbeeld met chroom gedoteerd robijn.

5 10 15 20 25 30 35 83 0 0 6 3 1

Claims (11)

1. Inrichting voor het opwekken of versterken van coherente elektromagnetische straling met ten minste een eerste lichaam voorzien van ten minste een eerste laag van voer het opwekken of versterken van dergelijke straling geschikt materiaal met ten minste een actief gebied 5 waarin in de gebruikstoestand bezettingsinversie woedt verkregen door middel van elektroneninjectie net het kenmerk dat de inrichting voorzien is van een half gele iderinr icht ing met ten minste een halfgeleiderkatbcde voor het opwekken van een elektronenbundel.

2. Inrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk dat de eerste 10 laag een éênkristallijn halfgeleiderlichaam uit een II-IV verbinding bevat.

3. Inrichting volgens conclusie 2 net het kenmerk dat de II-VI-verbinding gevormd wordt uit een verbinding van één of meer van de e-lementen zink of cadmium met een verbinding van één of neer van de e- 15 lementen zuurstof, zwavel, seleen en telluur.

4. Inrichting volgens conclusie 3 met het kenmerk dat de verbinding een datering bevat cm de golflengte van de uitgezonden electro-magnetische straling in te stellen.

5. Inrichtng volgens één der conclusies 1 t/m 4 met het kenmerk 20 dat de actieve laag streepvormig is.

6. Inrichting volgens één der conclusies 1 t/m 5 met het kenmerk dat de actieve laag zich bevindt tussen twee bekledingslagen met een lagere brekingsindex.

7. Inrichting volgens één der conclusies 1 t/m 6 met het kenmerk 25 dat de halfgeleiderkathode een halfgeleiderlichaam bevat net een pn- overgang tussen een aan een oppervlak van het halfgeleiderlichaam grenzend n-type gebied en een p-type gebied, waarbij door het aanleggen van een spanning in de keerrichting over de pn-overgang in het halfgeleiderlichaam door lawinevernenigvuldiging elektronen worden gegenereerd die 30 uit het halfgeleiderlichaam treden waarbij althans plaatselijk de pn-overgang in hoofdzaak evenwijdig aan het oppervlak loopt en een lagere doorslagspanning dan het overige deel van de pn-overgang vertoont waarbij het deel met lagere doorslagspanning van het oppervlak is gescheiden door een n-type geleidende laag met een zodanige dikte en dotering 35 dat bij de doorslagspanning de uitputtingszone van de pn-overgang zich niet tot aan het oppervlak uitstrekt doch daarvan gescheiden blijft door een oppervlaktelaag die voldoende dun is cm de gegenereerde elektronen door te laten. 8300631 i *· m PHN 10594 14

8. Inrichting volgens conclusie 7 met het kenmerk dat het oppervlak van het halfgeleiderlichaam voorzien is van een isolerende laag waarin ten minste een opening is aangebracht, waarbij op de isolerende laag langs de rand van de opening tenminste een versnellingselektrode is aan- 5 gebracht en de pn-overgang althans binnen de opening in hoofdzaak evenwijdig aan het oppervlak verloopt en plaatselijk een lagere doorslagspan-ning vertoont.

9. Inrichting volgens conclusie 8 met het kenmerk dat de opening in het oxyde de vorm heeft van een smalle spleet.

10. Inrichting volgens één van de vorige conclusies met het kenmerk dat de inrichting een vakuümbuis bevat met in een geëvacueerde omhulling het eerste lichaam en de halfgeleiderkathode waarbij het eerste lichaam zich ter plaatse van een eindwand tegenover de halfgeleiderkathode bevindt.

11. Inrichting volgens één der conclusies 1 t/m 9 met het kenmerk 15 dat het eerste lichaam op het oppervlak van de halfgeleiderkathode aangebracht is. 20 25 30 35 8300631