DE1183599B - Optischer Sender oder Verstaerker unter unmittelbarer Umwandlung von elektrischer Energie in kohaerente Lichtenergie unter Verwendung eines einkristallinen Halbleiters, der zur selektiven Fluoreszenz angeregt wird - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KL: H«l·*-

DeutscheKL: 21 f-90^*· Bl.

SbjoO

Nummer: 1183 599

Aktenzeichen: J 24565 VIII c/21 f

Anmeldetag: 15. Oktober 1963

Auslegetag: 17. Dezember 1964

Die Erfindung betrifft einkristalline Halbleiter, deren selektive Fluoreszenz durch Ladungsträgerinjektion und Rekombination eingeleitet wird.

Als ein Ergebnis der Rekombination von Ladungsträgern in einem Halbleitermaterial hat man in Galliumarsenid das Auftreten einer Lichtstrahlung beobachtet.

Man hat ferner festgestellt, daß eine Rekombinationsstrahlung in Verbindung mit einer Ladungsträgerinjektion in ein Festkörpermaterial mit einer Lücke im Energieband eine selektive Fluoreszenz liefert, wenn eine ausreichende Ladungsträgerstromdichte injiziert wird, wodurch ein optischer Sender geschaffen wird, der seinen Anregungsenergiebedarf unmittelbar aus der zugeführten elektrischen Energie speisen kann. Wenn das Festkörpermaterial mit Energiebandlücke ein Halbleitermaterial ist, dient jeder Injektionsanschluß, wie z. B. ein PN-Übergang, zum Zuführen von Ladungsträgern.

Bei optischen Sendern oder Verstärkern, wie sie die Technik entwickelt hat, wird durch Energiezufuhr, d. h. durch Zufuhr von Anregungsenergie, künstlich eine von dem natürlichen Temperaturgleichgewicht abweichende Besetzungsverteilung von Elektronen auf höheren Energieniveaus hervorgerufen. Dabei erhält man einen größeren Anteil von Atomen mit vollbesetzten Energieniveaus bei höheren Energiewerten gegenüber den niedrigeren Energiewerten. Dies ist als Inversion der Besetzungsverteilung der Energieniveaus bekannt. Die künstlich auf höhere Energieniveaus angehobenen Elektronen geben ihre Energie ab, wenn sie wieder auf ihre niedrigeren Energieniveaus zurückfallen. Die frei werdende Energie kann als elektromagnetische Strahlung auftreten. In den meisten bisher in der Technik bekanntgewordenen Vorrichtungen handelt es sich dabei um Licht im sichtbaren oder im infraroten Bereich.

In den zur Zeit bekannten optischen Sendern oder Verstärkern wird entweder ein Gas, wie z. B. eine Mischung aus Helium und Neon, oder ein Kristall, wie z. B. Aluminiumoxyd oder Kalziumfluorid, als das Medium verwendet, in das geeignete Aktivatorelemente, die auf die Anregungsenergie ansprechen, eingebracht werden, wodurch bei dem Aktivatorelement die Inversion der Besetzung der Energieniveaus durch Elektronen zwischen einem angeregten Zustand und einem schwächer angeregten Zustand möglich wird. Bei ihrer Rückkehr in den schwächer angeregten Zustand des Störelements geben die Elektronen Lichtquanten oder Photonen ab. Wenn diese Photonen eine große Dichte erreichen, nimmt die Wahrscheinlichkeit für einen derartigen strahlenden Übergang zu, und beim Vorliegen einer Inversion der Optischer Sender oder Verstärker unter
unmittelbarer Umwandlung von elektrischer
Energie in kohärente Lichtenergie unter
Verwendung eines einkristallinen Halbleiters,
der zur selektiven Fluoreszenz angeregt wird

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

New York, N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,

Böblingen (Württ.), Sindelfiriger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Gerald Burns, Peekskill, N.Y.;

Frederick Hayer Dill, Putnam Valley, N.Y.;

William Paul Dumke, Cappaqua, N. Y.;

Gordon Jewett Lasher, Briarcliff Manor, N.Y.;

Marshall Ira Nathan, Mt. Kisco, N.Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 15. Oktober 1962
(230 607)

Besetzung der Energieniveaus wird der elektromagnetische Strahlungstyp, in dem die Photonen emittiert werden, seinerseits in die Lage versetzt, um darin eine weitere Emission von Strahlung hervorzurufen. Dies ist in der Technik als selektive Fluoreszenz bekannt und führt zu einer Einengung der Emissionslinie. Zum Betrieb der zur Zeit verfügbaren optischen Sender oder Verstärker wird zunächst elektrische Energie in Lichtenergie als Anregungsenergie,' meist in Form eines Entladungsblitzes umgewandelt, welche ihrerseits die Entstehung einer Inversion der Besetzungsverteilung bewirkt.

Es hat nunmehr den Anschein, als ob man den Aufbau einer Inversion der Besetzungsverteilung von Energieniveaus dadurch stark vereinfachen könnte, daß man die Injektion von Ladungsträgern in ein Festkörpermaterial mit Bandabstand, beispielsweise mit Hilfe eines Halbleiter-PN-Übergangs durchführt, mit dem Ziel, das Anregen unmittelbar durch elektrische Mittel vorzunehmen, ohne daß zunächst eine Umwandlung der elektrischen Energie in Lichtenergie

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oder eine elektrische Entladung erfolgt. An einem in Durchlaßrichtung vorgespannten PN-Übergang gelangen Ladungsträger eines Störstellenleitungstyps beim Durchqueren des PN-Übergangs in eine solche Umgebung, daß bei der Rekombination dieser Ladungsträger ein Strahlungsübergang stattfinden kann. In der Praxis haben jedoch die Verluste der Festkörperumgebung eine angeregte Strahlungsemission verhindert.

Werden Ladungsträger in einen geeigneten Festkörperbereich mit zum Ausgleich von Verlusten ausreichender Dichte injiziert, dann entsteht also selektive Fluoreszenz, unter der erfindungsgemäßen Voraussetzung allerdings, daß das Material einen Bandabstand aufweist. Wie sich weiter unten noch ergeben wird, sind hierbei noch weitere Bedingungen, insbesondere bezüglich der relativen Eigenverluste im Festkörpermaterial zu berücksichtigen. Diese Verluste

Die Aufgabe der Erfindung besteht nur darin, die io werden im Zusammenhang mit der Erläuterung der Ladungsträgerinjektion in einem geeigneten Fest- allgemeinen Prinzipien der Erfindung an Hand eines körper so durchzuführen, daß diese Verluste korn- Beispiels näher betrachtet, bei dem ein PN-Übergang pensiert werden, um so einen Strahlungsemission zu als das Trägerinjektionselement in einem als Festermöglichen, körper mit Bandabstand dienenden Halbleiter benutzt Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, 15 wird. Es dürfte andererseits ohne weiteres einleuchten, daß die selektive Fluoreszenz mittels Gleichstrom daß die Trägerinjektion auch durch andere Mittel zu durch einen in Flußrichtung belasteten PN-Übergang erzielen ist, wie z. B. durch einen, wie bei bestimmten zur Injektion von Ladungsträgern, deren Dichte Festkörpergleichrichtern ausgenutzten Magnetfeldeinoberhalb eines durch die Halbleitereigenschaften be- fluß, oder einen Kontakt zwischen dem Halbleiterstimmten Schwellenwertes liegt, in einer Halbleiter- 20 material und einer geeigneten Metallelektrode, diode angeregt wird, so daß die Breite des Emissions- Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der spektrum unterhalb 100 A insbesondere in der Größen- Erfindung kann die selektive Fluoreszenz mit einer Ordnung von 1 bis 10Ä liegt. Halbleitervorrichtung dadurch erreicht werden, daß Gemäß der Erfindung läßt sich nämlich feststellen, ein Halbleiterkörper mit PN-Übergang verwendet wird, daß eine selektive Fluoreszenz in einem geeigneten as der in geeigneter Weise in Durchlaßrichtung zur Her-Festkörper dadurch ausgelöst wird, daß Ladungsträger beiführung einer solchen Stromdichte der injizierten mit ausreichender Geschwindigkeit injiziert werden, Träger vorgespannt wird, welche hoch genug ist, um die dann rekombinieren können. Bei Erreichen dieser die Wirkung verschiedener nichtstrahlender Elekbestimmten Geschwindigkeit injizierter Ladungsträger tronenrekombinations- und verschiedener Strahlungstritt eine selektive Fluoreszenz in dem Festkörper 30 Verlustmechanismen im Halbleiterwirtskristall ausunter scharfer Einengung der Emissionslinie auf. gleichen zu können. Sind diese Bedingungen erfüllt,

dann beschränkt sich der Lichtausgang, bedingt durch die infolge Rekombination der injizierten Träger frei gemachten Energie, ausschließlich auf eine einzige vorherrschende Strahlungsart zum Nachteil aller anderen Ausgangsstrahlungsarten im System.

In F i g. 1 ist eine beispielsweise Ausführung einer Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung mit PN-Übergang-Injektion dargestellt, welche kohärentes der in einem Bereich mit Zink dotiert ist, so daß ein 40 Licht ausstrahlt. Die Vorrichtung nach F i g. 1 be-PN-Übergang entsteht. steht aus einem Halbleiterkristall 1 mit einem PN-

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich Übergang 2, durch den ein P-Bereich 3 von einem aus der nachfolgenden Beschreibung einesAusführungs- N-Bereich 4 getrennt wird. Der PN-Übergang erbeispieles an Hand der Zeichnungen. Es zeigt streckt sich nahezu parallel zu einem wesentlichen

Fig. 1 eine gemäß der Erfindung aufgebaute Vor- 45 Oberflächenbereich der Halbleitervorrichtungen. An richtung, die zu selektiver Fluoreszenz geeignet ist, den N-Bereich ist eine rahmenförmige ohmsche

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Energiebandbeziehung über einem PN-Übergang einer Halbleitervorrichtung,

Fig. 3 die Abhängigkeit der Lichtintensität des 50 bracht. Die ohmschen Kontaktelektroden 5 und 7 Linienmaximums von der Stromdichte der injizierten sind in geeigneter Weise über einen veränderbaren Ladungsträger, wobei der Schwellwert für eine
selektive Fluoreszenz markiert ist,

Fig. 4 ein Flußdiagramm der einzelnen Schritte bei

der Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 55 Übergang 2 ununterbrochen oberhalb einer einstell· Fig. 5 eine Kurve, die die Verminderung der Linien- baren Schwellenstromdichte in Durchlaßrichtung vorzuspannen.

Bei diesen Gegebenheiten wird oberhalb eines kritischen Wertes der injizierten Stromdichte kohärentes 60 Licht durch die Pfeile 11 angedeutet, von der Oberfläche des N-Bereichs 4 durch die öffnung 6 und von der Oberfläche des P-Bereichs um die ohmsche Kontaktelektrode 7 herum ausgestrahlt. Mit Hilfe der Empfangsvorrichtungen 12 und 12 A kann dieses Energie in dem Material frei wird, indem Ladungs- 65 kohärente Licht 11 aufgefangen und ausgenutzt werden, träger in das Material mit einer so hohen Dichte inji- Bekanntlich läßt sich kohärentes Licht unter Verziert werden, daß die Verluste im Festkörper korn- Wendung hoher Frequenzen modulieren. Neben dem pensiert werden. Vorteil einer scharfen Fokussierungsmöglichkeit ist

Die erfindungsgemäße Anordnung sendet kohärentes Licht in einer bevorzugten optischen Strahlungsart aus, ohne daß eine besondere geometrische Gestaltung des Halbleiterkörpers hierzu erforderlich ist.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung ist es also möglich, elektrische Energie unmittelbar in Lichtenergie umzuwandeln. In vorteilhafter Weise ist hierzu ein Galliumarsenid-Halbleitkörper geeignet,

Kontaktelektrode 5 angebracht, deren öffnung 6 den Lichtaustritt aus dem N-Bereich 4 gestattet. An den P-Bereich ist eine ohmsche Kontaktelektrode 7 ange-

Reihenwiderstand 9 und einen Schalter 10 an eine Spannungsquelle angeschlossen, die als Batterie 8 dargestellt ist. Diese Anordnung dient dazu, den PN-

breite des Ausgangslichtes in Abhängigkeit vom Strom darstellt,

Fig. 6 eine Anordnung zur Untersuchung der selektiven Fluoreszenz für die neue Vorrichtung.

Gemäß der Erfindung läßt sich selektive Fluoreszenz in einem Festkörper hervorrufen, der einen Bandabstand und einen strahlenden Energieübergang aufweist, wenn durch eine Ladungsträgerrekombination

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letztere Tatsache von großem Wert für die Nach- kleineren Energiebereich, d. h. über weniger mögliche richtenübertragung. Durch Verwendung einer solchen Energieniveaus.

Vorrichtung als Infrarot-Lichtquelle ergeben sich Die selektive Fluoreszenz durch Injektion in einem

Anwendungsmöglichkeiten auch bei der Dunkel- Halbleiterkristall wird weiterhin begünstigt, wenn das photographic 5 beim Strahlungsemissionsübergang abgegebene Licht

Die erfindungsgemäße Anordnung ist hier nur auf einem Energieübergang beruht, der unterhalb schematisch dargestellt, so daß sich in der Praxis viele des Bandabstands liegt.

Ausführungsformen realisieren lassen, die aber alle Bei Betrachtung der Darstellung in F i g. 2 würde

unter das Erfindungsprinzip fallen. das bedeuten, daß der injizierte Ladungsträger einen

Das Prinzip gemäß der Erfindung gestattet es also, io Energieübergang durchzuführen braucht, der geringer kohärentes Licht ohne Strahlungsartauswahl durch ist, als es an sich dem Energieunterschied zwischen spezielle geometrische Gestaltung des Strahlungs- dem Niveau des Valenz- und dem des Leitungsbandes körpers zu erzeugen. Wie sich weiter unten zeigen entspricht. Wenn die durch den Ladungsträger abwird, kann die geometrische Gestaltung der Vorrich- gegebene Strahlungsenergie gleich dem Bandabstand tung 1 dazu benutzt werden, um deren optische Eigen- 15 oder größer ist, kann diese frei werdende Energie schäften zu verbessern und dadurch die tatsächlichen durch Anhebung eines anderen Elektrons in das Anforderungen an die Stromdichte der injizierten Leitungsband absorbiert werden. Dieses Elektron Träger im Bereich des PN-Übergangs herabzusetzen. besitzt dann seinerseits eine bestimmte Wahrscheinlich-

Das hier gezeigte Prinzip der Trägerinjektion unter keit für nichtstrahlende Rekombination. Verwendung eines PN-Übergangs als Injektionsmittel so Eine weitere Verlustursache für die Strahlungsläßt sich in Verbindung mit Fig. 2 noch deutlicher be- energie des Kristalls ist durch die Absorption freier schreiben. Dort sind die Energiebandverhältnisse . Ladungsträger bedingt. Um diese unerwünschte, an in einem Halbleitermaterial mit bestimmten Leit- sich aber nicht zu vermeidende Verlustquelle in ihrer fähigkeitstypen aufgetragen. Wirkung so weit wie möglich zu unterdrücken, ist es

Hier sind ein P-Bereich und ein N-Bereich, die den 35 also zweckmäßig, ein solches Halbleitermaterial zu Bereich 3 und 2 des Kristalls in F i g. 1 entsprechen, verwenden, das eine möglichst hohe Wahrscheinlichdurch einen in Durchlaßrichtung vorgespannten PN- keit für strahlende Rekombination bietet. In Materia-Übergang voneinander getrennt. lien mit hoher Wahrscheinlichkeit für strahlende Im Betriebszustand werden die Ladungsträger über Rekombination ist dann auch die Wahrscheinlichkeit den PN-Übergang hinweg injiziert. Diese Träger 30 einer selektiven Fluoreszenz hoch, so daß ein relativ weisen dann ein hohes Energieniveau auf und können . hoher Betrag an Energie in Strahlungsenergie umge-Energie auf verschiedene Weise abgeben, wobei es sich setzt und die Wirkung der Absorption freier Ladungsdann in einigen Fällen um Energieübergänge mit träger ausgeglichen wird. Hierzu muß der Kristall Strahlungsemission handelt. Der injizierte Ladungs- eine Bandstruktur mit direktem Bandabstand aufträger kann mit einem Ladungsträger entgegengesetzten 35 weisen. Materialien, die einen indirekten Bandabstand Vorzeichens in dem anderen Band entweder aus dem besitzen, wie z. B. Silizium, so daß ζ. Β. mit Hilfe Band selbst oder aus einem örtlich begrenzten Energie- von Phononen eine strahlende Rekombination aufniveau, in das er hineingefallen ist, rekombinieren. rechterhalten werden muß, scheinen für diesen Zweck Wenn strahlende Energie abgegeben wird, kann ein weniger geeignet zu sein.

Lichtausgang aus dem Kristall beobachtet werden. 40 Durch die oben beschriebenen und erwünschten Der umgehende Halbleiterkristall selbst kann mehrere Umgebungseigenschaften wird gewährleistet, daß eine Eigenschaften haben, durch welche die angeregte Aus- Besetzungsinversion im Kristall erreicht werden kann strahlung begünstigt oder benachteiligt werden kann. und daß die durch eine solche Besetzungsinversion Es hat sich herausgestellt, daß diese Eigenschaften in hervorgerufene Strahlungsemission nicht durch Kristallgewisser Hinsicht voneinander abhängig sind. Aber 45 Verluste beeinträchtigt wird.

häufig können nachteilige Wirkungen, die auf einer Die AIII BV-Verbindungen Galliumarsenid, Galliumbestimmten Eigenschaft der Kristallumgebung be- antimonid, Indiumphosphid, Indiumantimonid, In ruhen, durch besondere Begünstigung vorteilhafter diumarsenid sowie Legierungen von Galliumarsenid Eigenschaften ausgeglichen werden. Nachstehend soll und Galliumphosphid, die weniger als 50% Galliumdeshalb gezeigt werden, nach welchen Gesichtspunkten 5o phosphid enthalten, besitzen z. B. eine solche hohe aus den an sich zur Verfügung stehenden Halbleiter- Wahrscheinlichkeit der Rekombination unter Strahkristalltypen diejenigen ausgewählt werden können, lungsemission und sind daher für den oben erwähnten die die für eine vorteilhafte Betriebsweise erforder- Zweck geeignete Substanzen.

liehen, voneinander abhängigen Eigenschaften auf- Gemäß der Erfindung tritt, wenn die Dichte der

weisen. 55 injizierten Träger über einen PN-Übergang, wie in

Es wird hierbei berücksichtigt, daß dort, wo der F i g. 2 gezeigt, ausreicht, um die Schwellenbedingung Kristall eine lange Trägerlebensdauer für nicht- zu erfüllen, eine selektive Fluoreszenz auf, wobei die strahlende Rekombination aufweist, die selektive Emissionslinie für das austretende Licht sehr schmal Fluoreszenz verstärkt wird und die für die selektive und sehr intensiv ist.

Fluoreszenz wichtige Besetzungsinversion leichter zu 60 Es dürfte ohne weiteres einleuchten, daß die Paraerreichen ist. Die Lebensdauer der Ladungsträger in meter, die zur selektiven Fluoreszenz durch Träger-Halbleiterkristallen schwankt um mehrere Größen- injektion in einem Halbleiterkristall beitragen, in Ordnungen, und diejenigen, die die längeren nicht- extrem hohem Maße voneinander abhängig sind und strahlenden Lebensdauern aufweisen, sind zu bevor- daß über bereits vorhandene günstige Kristalleigenzugen. 65 schäften hinaus Verbesserungen in der geometrischen

Der Betrieb bei niedrigen Temperaturen erleichtert Gestaltung der Halbleitervorrichtung, welche auf eine eine Besetzungsinversion und fördert die selektive erhöhte Injektionsleitung mit Begünstigung eines beFluoreszenz durch Verteilung der Träger über einen stimmten Bereichs für die Rekombination und auf die

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optische Resonanz gerichtet sind, die Schärfe der kann und als Folge davon eine große Verstärkung des Dichtebedingung für injizierte Träger reduzieren Ausgangslichts und eine entsprechende Herabsetzung können. der Schwellenbedingung für die Trägerinjektion er-

In F i g. 3 ist die Schwelle der Stromdichte für reicht werden können. Ebenso lassen sich durch entinjizierte Ladungsträger für eine Vorrichtung gemäß 5 sprechende Gestaltung noch weitere Verbesserungen der Erfindung veranschaulicht. Die Kurve nach erzielen, z. B. durch Auswahl der optischen Durch-F i g. 3 zeigt die Lichtintensität des Linienmaximums lässigkeit des Halbleiterwirtskristalls und der Kristallin Abhängigkeit von der Stromdichte der injizierten abmessung, die sich aus dem Abstand zwischen dem Ladungsträger. Bei einem Schwellenwert der Strom- Bereich, in dem der Strahlungsübergang stattfindet, dichte für injizierte Ladungsträger erfolgt eine abrupte io und der Oberfläche ergibt, wo die Strahlung ausVerschiebung der Lichtintensität auf ein schmales genutzt wird.

Frequenzband intensiven Lichtes, und bei weiterer Der dritte Verfahrensschritt im Flußdiagramm nach

Stromzunahme wird dieses schmale Frequenzband auf F i g. 4 erfordert die Betriebsweise der Vorrichtung, Kosten der Intensität anderer Bänder vorherrschend. die oberhalb der Schwellendichte der am PN-Über-Die kritische Stromdichteschwelle für injizierte Träger 15 gang injizierten Ladungsträger liegt. Erreicht die dient als Auslesemechanismus für die selektive Dichte der injizierten Ladungsträger einen bestimmten, Fluoreszenz innerhalb des Halbleitermaterials, und von der Verlusten im System abhängigen, kritischen jenseits dieses Punktes wird mit zunehmender Strom- Wert, dann werden die verschiedenen Verlustmechadichte der injizierten Ladungsträger der Lichtausgang nismen innerhalb des Kristalls ausgeglichen, und es im wesentlichen auf ein sehr schmales Frequenzband 20 ergibt sich ein scharf gebündelter kohärenter Lichtintensiven Lichtes beschränkt. strahl am Ausgang der Anordnung nach der Erfin-F i g. 4 zeigt ein Flußdiagramm, das die Herstellung dung. Diese Steuerung der Trägerdichte wird allvon Halbleitervorrichtungen gemäß der Erfindung gemein durch eine Beziehung erfaßt, die durch eine veranschaulicht. In einem ersten Verfahrensschritt gegebene Strommenge ausgedrückt wird, die über wird ein Halbleiterwirtskristall, der vorzugsweise 25 einen bestimmten Querschnittsbereich des PN-Übergünstige Umgebungseigenschaften hat, mit einem gangs angelegt wird. Es werden nachstehend hierzu PN-Übergang versehen, z. B. durch Diffusion von einige Beispiele aufgeführt, damit eine eindeutige Zuden Leitungstyp bestimmenden Verunreinigungen in Ordnung der vielen Parameter getroffen werden kann, die Vorrichtung in der Weise, daß jeweils die reine Es werden z. B. die verschiedenen Arten von geeigneten Menge der einen Leitungstyp bestimmenden Verun- 30 Halbleitermaterialien, die betreffenden Dotierungsreinigung, zwei Bereiche von durch Störstellen be- . stoffe, deren Konzentration und Verteilung sowie die stimmten Leitungstypen schafft, die durch einen geometrische Gestaltung, z. B. des Querschnitts-PN-Übergang getrennt sind. bereichs des PN-Übergangs im Verhältnis zur Strom-

Da die Injektionsleistung einen PN-Übergangs, die dichte, gezeigt.

auf ihn unter Vorspannung einwirkenden Felder und 35 Im Zusammenhang mit F i g. 4 ist allgemein ein der Widerstand der Halbleitervorrichtung durch die Verfahren beschrieben worden, wobei aufgezeigt Konzentration und Verteilung der Verunreinigungen worden ist, was im einzelnen beachtet werden muß, in dem Kristall, der den PN-Übergang enthält, be- um eine selektive Fluoreszenz in einem Halbleiterstimmt werden, muß die Verunreinigungsverteilung im körper durch Trägennjektion zu erreichen. Es kann Kristall möglichst genau gesteuert werden. Um einen 40 natürlich sein, daß die zur Vormierung des PN-Ubermöglichst niedrigen Widerstand zu erhalten, ist es z. B. gangs und der geometrischen Ausbildung nötigen vorteilhaft, eine hohe Verunreinigungskonzentration Verfahrensschritte mit fortschreitender Technik immer herbeizuführen; aber bekanntlich hat die Verunreini- mehr ineinander übergehen werden, da durch die gungsdichte auch eine spürbare Auswirkung auf die Weiterentwicklung der Diffusionstechnik, des Nieder-Lebensdauer des Kristalls, die oben als eine der Um- 45 schlagens aus der Dampfphase und der Leitungsgebungseigenschaften besprochen worden ist, so daß typumwandlung die Formierung eines PN-Übergangs für die Verunreinigungsdichte die Wahl eines geeig- bei einer bestimmten geometrischen Gestalt in der neten Wertes wichtig ist, Mit Hilfe an sich bekannter Halbleiterherstellungstechnik sich immer mehr durch-Verfahren kann ein für die Zwecke der Erfindung setzen wird.

geeigneter PN-Übergang und eine erwünschte Verun- 50 Weiterhin werden natürlich angesichts der inten-

reinigungsverteilung erzielt werden. siven Tätigkeit auf dem Gebiet der selektiven Fluores-

Der zweite Verfahrensschritt richtet sich auf die zenz verschiedene geometrische Formen erscheinen,

Herstellung der Vorrichtung und deren geometrische die wirkungsvoller als die jetzt bekannten sind.

Gestaltung. Die Vorrichtung nach F i g. 1 zeigt einen Bei dem Verfahren nach F i g. 4 handelt es sich um

großflächigen PN-Übergang, der parallel zur Haupt- 55 die Steuerung der Formierung des PN-Übergangs in

fläche verläuft. Verbindung mit der der Bildung der geometrischen

Es ist an sich bekannt, daß, wenn ein kritischer Gestalt des Halbleiterwirtskristalls, wobei nachfolgend

Parameter die Dichte der injizierten Ladungsträger ist, der Kristall unter der Dichteschwelle des Träger-

die Zuordnung des verfügbaren Stromes zum Quer- Stroms betrieben wird, um die selektive Fluoreszenz

schnittsbereich des PN-Übergangs ausgenutzt werden 60 durch Trägerinjektion in einem Kristall zu erreichen.

kann. Infolgedessen wird die Abmessung des PN-Über- Mit Hilfe der F i g. 5 und 6 wird ein typisches

gangs entweder bei der Herstellung entsprechend^ fest- Beispiel für die Ausführung einer Halbleitervorrichtung

gelegt oder nachträglich verändert, z. B. durch Ätzen. gemäß der Erfindung dargestellt, wobei als Injektions-

Da es sich bei der Strahlungsemission um eine mittel ein PN-Übergang verwendet wird. F i g. 5

elektromagnetische Strahlung handelt, müssen die 65 zeigt die Breite der Emissionslinie, gemessen in eV, Abstände innerhalb des Kristalls und die optische in halber Höhe der Emissionslinie in Abhängigkeit

Parallelität innerhalb des Kristalls räumlich so ein- vom Strom, gemessen in Ä. Die eigentliche Vorrichgerichtet sein, daß eine optische Resonanz stattfinden tung ist in F i g. 1 und speziell in F i g. 6 unter Ver-

ίο

Wendung einer Meßeinrichtung gezeigt. Ein Galliumarsenid-Körper 1 enthält einen N-Bereich 4, der mit Tellur dotiert ist, und einen diffundierten PN-Übergang 2 zwischen dem N-Bereich 4 und dem P-Bereich3, der durch Diffusion von Zink in Galliumarsenid formiert wird. Der PN-Übergang 2 liegt etwa 0,12 mm unterhalb der Oberfläche, an der eine goldplattierte Kovar-Ringscheibe 5 (27Ni; 65Fl; 19 Co) angebracht ist. Eine ohmsche Kontaktelektrode 7 aus Indium ist an der entgegengesetzten Fläche des P-Bereichs 3 angebracht, und das Halbleiterplättchen hat eine Gesamtstärke von etwa 0,17 mm. Die Fläche des PN-Übergangs 2 wurde durch Ätzen auf einen Bereich von etwa 1 · 10~⁴ cm² reduziert.

Die gesamte Halbleitervorrichtung 1 ist in flüssigen Stickstoff 21 getaucht und wird mit Strömen, deren Werte in der Skala der Abszisse in der graphischen Darstellung nach F i g. 5 aufgezählt sind, für die Dauer von jeweils etwa 50 · 10~⁹ Sekunden gesteuert. Bei niedrigen Injektionspegeln werden mehr als 95% des Lichtes in einer Linie bei 1,47 eV unter einer Halbwertsbreite von etwa 0,026 eV ausgestrahlt. Mit zunehmender Dichte der injizierten Ladungsträger verringert sich die Linienbreite, und zwar zunächst nur leicht, aber bei Stromdichten der Größenordnung von 10⁴ bis 10⁵ A/cm² wird eine Trägerinjektionsschwelle für die selektive Fluoreszenz erreicht, wie in Fig. 5 gezeigt.

Die sich verringernde Linienbreite in diesem Beispiel läßt sich auch wie folgt darstellen:

3 A 95 Ä

1OA , 41Ä

15A ■ 9Ä

Bei 21 A spaltet sich die Linie in zwei Linien auf, die einen gegenseitigen Abstand von 6 Ä haben und je etwa 2Ä breit sind. Die Quantenausbeute, die sich aus dem Wert der Lichtenergie am Ausgang dividiert durch die elektrische Energie am Eingang ergibt, ist in dem Bereich der sich verringernden Linienbreite ziemlich konstant. Dies kann als gewisser Beweis dafür gelten, daß sich die endgültige Quantenausbeute dieser Dioden dem Wert von 100 % nähert.

Das Licht wird durch das Fenster 22 zu einem Monochromator 23 und einem Photovervielfacher 24 übertragen, der das Signal in ein elektrisches Signal umsetzt, welches dann in einem Kathodenstrahloszilloskop 25 beobachtet werden kann.

Um einen Anhaltspunkt für die praktische Ausführung der Erfindung zu geben, werden nachstehend Tabellen der bei tatsächlichen Beispielen ermittelten Werte gebracht. Damit soll natürlich keineswegs die Erfindung auf eine oder mehrere spezielle Ausführungsformen beschränkt werden.

Tabelle I

Vor richtungstyp	Temperatur	Strom A	Licht- Emissions- Wellenlänge A	Angeregt Linienanzahl	s Emission Linienbreite A	Relative Lichtstärke am Ausgang	•10* Stromdichte A/cm2
		4	8400	1	73	60	6
		8	8401	1	52	60	12
		12	4399	. 1	38	60	18
17-19-12	770K .	16	8404	1	30	60	24
		20	8405	1	24	60	30
		24	8410	1	23	60	36
		28	8417	1	28	60	42
		2	8405	1	97	40	3
		4	8400	1	79	40	6
		8	8401	1	65	40	12
		12	8403	1	57	40	18
17-19-13	770K .	16	8348	1	60	40	24
		20	8343	1	57	40	30
		24	8393	1	45	40	36
		28	8402	1	52	40	42
		2	8415	1	75	55	3
		4	8415	1	79	55	6
		8	8397	1	70	55	12
17-19-14	770K ·	12	8397	1	50	55	18
		16	8399	1	41	55	24
		20	8403	1	45	55	30
		24	8403	1	45	55	36
		2	8399	1	75	45	3
		4	8393	1	74	45	6
		8	8391	1	72	45	12
		12	8400	1	57	45	18
17-19-15	770K ■	16	8380	1	57	45	24
		20	8397	1	52	45	30
		24	8398	1	52	45	36
		28	8398	1	55	45	42
							409 758/165 J

Tabelle I (Fortsetzung)

Vor richtungstyp	Temperatur	f	Strom A	Licht- Emissions- Wellenlänge A	Angeregt Linienanzahl	e Emission Linienbreite A	Relative Lichtstärke am Ausgang	•10* Stromdichte A/cm*
		77° K j	2		1	& 220
		[	4		1	*220
		r	8		1	214
		77°K \	12		1	220
17-19-24	25°C <	1	16 20		1 1	240 230
			24		1	178
			28		1	191
		f	32		1	190
		73,5°K I	36		1	180
		■ 1	6		1	185	80	3
			12		1	215	80	6
17-19-23	250C <		20		1	184	80	10
		■ f	24		1	184	80	12
		720K \	28		1	196	80	14
		1	2	8418	1	140	135	2
			4	8415	1	120	135	4
			8	8412	1	95	135	8
			12	8410	1	71	135	12
			16	8411	1	62	135	16
17-18-26	77° K ■		20	8416	1	45	135	20
		77°K ]	24	8416	1	37	135	24
			28	8416	1	31	135	28
			32	8417	1	32	135	32
			36	8420	1	28	135	36
			40	8418	I	28	135	40
		2	8415		105	100	1,3
17-18-25	77°K .	8 16	8413 8413		97 91	100 100	5,2 10
		24	8414		76	100	15
		16	8443	2	10	185	16
17-18-24			8423	2	12	185	16
	24	8457	3	6	185	24
		8450	3	sü6	185	24
		8425	3	8	185	24
	16	8435	2	srf6	185	16
		8417	2	f«6	185	16
	24	8453	2	6	185	24
		8445	2	sa8	185	24
		8425	2	8	185	24
	16	8432	2	8	185	16
		8413	2	8	185	16
	28	8455		««10	185	28
		8446		10	185	28
		8423			185	28
		8418		«»5	185	28
	2	8414	1	120	135	1,5
	4	8416	1	100	135	3,0
17-19-22	12 20	8414 8414	1 1	75 67	135 135	9 15
	32	8415	1	62	135	24
	40	8414	1	53	135	30
	2			90
	4			54
	8			62
11785-51B	12 16	8468	4	48
		8446	4
		8408	4
		8363	4

Tabelle I (Fortsetzung)

Vor richtungstyp	Temperatur	I	770K ■	(	77° K	ί	Strom A	Licht- Emissions- Wellenlänge Ä	Angeregt Linienanzahl	e Emission Linienbreite Ä	Relative Lichtstärke am Ausgang	■10* Stromdichte A/cm2
	770K j		770K \	77° K \	4	8421	1	150	95	0,5
17-19-33	I		1	1	12 20	8414 8423	1 1	125 90	95 95	1,5 2,5
	(	f	f	r	28	8422	1	85	95	3,5
	770K <^	77° K \	770K \	770K \	4	8416	1	124	95	1,0
17-19-34	1	1	I	I	16	8415	1	103	95	4
			[	24	8423	1	62	95	6
			77° K \	8	8423	1	124
	770K ■		1	12	8435	1	118
78-86-6		770K ■		16	8435	1	90
				20	8439	1	85
	c		77° K ■	24	8446	1	81
				4	8410	1	102	108	8
		12	8416	1	56	108	24
17-21-2	f	16 20	8415 8414	1 1	51 53	108 108	32 40
	770K \	24	8414	1	45	108	48
	1	28	8420	1	42	108	56
	4	8420	1	128	117	6
17-21-5	16	8414	1	70	117	24
	24	8414	1	69	117	36
	2	8402	1	120	120	6
	4	8408	1	90	120	12
	8	8423	1	53	120	24
17-21-9	12	8438	1	16	120	36
	14	8438	1	11	120	42
	■ 16	8438	1	8	120	48
	20	8436	Verschiedene		120	60
	4	8430	1	Ul	180
17-21-11	12	8413	1	90	180
	20	8413	1	68	180
	4	8395	1	105	135	2
17-19-38	16	8402	1	110	135	8
	24	8403	1	87	135	12
	4	8408	1	97	138	10
17-21-13	12	8405	1	50	138	30
	16	8410	1	50	138	40
	2	8423	1	100	14	2
	8	8414	1	94	14	8
17-19-28	16	8409	1	75	14	16
	20	8410	1	68	14	20
	28	8415	1	70	14	28
	4	8415	1	120	135	3
17-19-36	16	8418	1	105	135	12
	24	8422	1	69	135	18
17-18-33	20	8431	1	45	135	25
	4	8413	1	117	108	6
17-21-5	12	8413	1	97	108	18
	14	8413	1	105	108	21
	4	8413	1	145	129	4
17-21-8	8	8413	1	134	129	8 ·■-
	16	8428	1	125	129	16

Tabelle!!

Kenndaten des Kristalls

N

Gefäß be Kristall züchtung

Material t

Kapa

Kenndaten der Struktur

Diffu- Länge des sions- Über- . tempe- gangs- ^" ratur bereichs

916

0,02

862

0,05

I j

0,0181

h/min

Kontakte

P-Region

Te

zität der Grenz schicht am PN- übergan

°C mm

i

I

1:3

N-Region

In-

Vorrichtungs typ

Dotierung

Quarz-

11770,4

(PF)

PN-Übergang hergestellt j durch

916 0,02

862 0,05

AuSb-

: iO,127-mm- Elektrode

P

Tiegel

GaAs

8

plattiert« Kovar-

17-19-12

Zn

Diffusion

916

1 0,02

Ring-

Te

1:30

elektrod«

In-

Quarz-

11770,4

916 0,02

AuSb-

! 0,127-mm- 1 Elektrode

Tiegel

GaAs

8

plattierte Kovar-

17-19-13

Zn

Diffusion

862 ! 0,05

916 0,02

Ring-

Te

I

1:30

elektrode

In-

Quarz-

11770,48

916 0,02

\

AuSb-

0,127-mm- Elektrode

Tiegel

GaAs

7,3

plattierte Kovar-

17-19-13

Zn

Diffusion

Ring-

Te

I

1:30

elektrode

In-

Quarz-

11770,48

916 0,02

AuSb-

0,127-mm- ! Elektrode

Tiegel

GaAs

8,5

916 '' 0,02 '

plattierte Kovar-

17-19-15

Zn

Diffusion

Ring-

Te

1

ι 1:30

elektrode

Sn-

Quarz-

11770,48

AuSb-

0,127-mm- ' Elektrode

Tiegel

GaAs

plattierte Kovar-

17-19-24

Zn

Diffusion

916 ' 0,02

Ring-

j ■

Te

1:30

elektrode

I In-

Quarz-

11770,48

AuSb-

: 0,127-mm- • Elektrode

Tiegel

GaAs

20

plattierte Kovar-

17-19-23

Zn

Diffusion

Ring-

Te

914

16

elektrode

'. In-

Quarz-

11770,48

AuSb-

j 0,127-mm- Elektrode

Tiegel

GaAs

13

plattierte Kovar-

17-18-26

Zn

Diffusion

Ring-

Te

16

elektrode

In-

Quarz-

11770,48

AuSb-

j 0,127-mm- ! Elektrode

Tiegel

GaAs

20

plattierte Kovar-

17-18-25

Zn

Diffusion

Ring-

Te

16

elektrode

In-

Quarz-

11770,48

AuSb-

0,127-mm- ! Elektrode

Tiegel

GaAs

13

plattierte Kovar-

17-18-24

Zn

Diffusion

Ring-

Te

1:30

elektrode

In-

Quarz-

11770,48

AuSb-

0,127-mm- Elektrode

Tiegel

GaAs

17

plattierte Kovar-

17-19-22

Zn

Diffusion

Ring-

Te

elektrode

Sn-

Quarz-

GaAs

0,127-mm- Elektrode

Te

Tiegel

1:30

Au

11785-51B

Zn

Quarz-

11770,48

Legierung

AuSb-

aufge dampft

Tiegel

GaAs

15

)lattierte Kovar-

17-19-33

Zn

Diffusion

Ring-

Te

1:30

elektrode

Au

Quarz-

11770,48

AuSb-

aufge

Tiegel

GaAs

57

plattierte

dampft

17-39-34

Zn

Diffusion

Kovar-

Ring-

Te

72

lektrode

InGaAg

Quarz-

11770,48

Sn-Ni-

0,127-mm- Elektrode

Tiegel

GaAs

Kontakt

78-86-6

Cd

Diffusion

Tabelle!! (Fortsetzung)

is

	Kenndaten des Kristalls	N	Gefäß bei Kristall züchtung	Material	Kapa	Kenndaten der Struktur	Diffu- sions- tempe- ratur	Länge des über- gangs- bereichs	Zeit	Kontakte	P-Region
		Te			zität der Grenz schicht am PN- Übergang		°C	mm	h/min	N-Region	In Ga Ag
Vorrichtungs typ	Dotierung		Quarz-	11770,50	(PF)	PN-Übergang hergestellt durch	850	0,05	72	AuSb-	0,127-mm- Elektrode
	P		Tiegel	GaAs	6,2					plattierte Kovar-
17-21-2	Zn					Diffusion				Ring-
		Te								elektrode	InGaAg
			Quarz-	11770,50			850	0,05	72	AuSb-	0,127-mm- Elektrode
			Tiegel	GaAs	7,8					plattierte Kovar-
17-21-5	Zn					Diffusion				Ring-
		Te								elektrode	InGaAg
			Quarz-	11770,50			850	0,05	72	AuSb-	0,127-mm- Elektrode
			Tiegel	GaAs	3,7					plattierte Kovar-
17-21-9	Zn					Diffusion				Ring-
		Te								elektrode	InGaAg
			Quarz-	11770,48			862		16	Au-	0,127-mm- Elektrode
			Tiegel	GaAs						plattierte MoHg-
17-21-11	Zn					Diffusion				Ring-
		Te								elektrode	InGaAg
			Quarz-	4900,11			862	0,05	72	AuSb-	0,127-mm- Elektrode
			Tiegel	GaAs	23					plattierte Kovar-
17-19-38	Zn					Diffusion				Ring-
		Te								elektrode	InGaAg
			Quarz-	11770,48			862	0,05	16	AuSb-	0,127-mm- Elektrode
			Tiegel	GaAs	5,6					plattierte Kovar-
17-21-13	Zn					Diffusion				Ring-
		Te								elektrode	In Ga Ag
			Quarz-	1842,5			862	0,05	72	AuSb-	0,127-mm- Elektrode
			Tiegel	GaAs	14,3					plattierte Kovar-
17-19-28	Zn					Diffusion				Ring-
		Te								elektrode	Au
			Quarz-	11770,48			916	0,02	1:30	AuSb-	aufge dampft
			Tiegel	GaAs	17					plattierte Kovar-
17-19-36	Zn	ohne				Diffusion				Rjxig- elektrode	InGaAg
		Zusatz	Quarz-	1842,56			860		19	AuSb-	0,127-mm- Elektrode
			Tiegel	GaAs	10,5					plattierte Kovar-
17-18-33						Diffusion				Ring-
		Te								elektrode	In Ga Ag
			Quarz-	11770,50			850	0,05	72	AuSb-	0,127-mm- Elektrode
			Tiegel	GaAs	7,8					plattierte Kovar-
17-21-5	Zn					Diffusion				Ring-
		Te								elektrode	In Ga Ag
			Quarz-	11770,50			850	0,05	72	AuSb-	0,127-mm- Elektrode
			Tiegel		14					plattierte Kovar-
17-21-8	Zn					Diffusion				Ring-
										elektrode

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Optischer Sender oder Verstärker unter unmittelbarer Umwandlung elektrischer Energie in kohärente Lichtenergie unter Verwendung eines einkristallinen Halbleiters, der zur selektiven Fluoreszenzangeregtwird,dadurchgekennzeichnet, daß die selektive Fluoreszenz mittels Gleichstrom durch einen in Flußrichtung belasteten PN-Übergang zur Injektion von Ladungsträgern, deren Dichte oberhalb eines durch die Halbleitereigenschaften bestimmten Schwellenwertes liegt, in einer Halbleiterdiode angeregt wird, so daß die Breite des Emissionsspektrums unterhalb 100 Ä, insbesondere in der Größenanordnung von 1 bis 10 Ä, liegt.

2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristall aus Galliumarsenid besteht.

409 758/165

3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß derGalliumarsenideinkristall in seinem P-Bereich (2) mit Tellurium-Atomen und in seinem N-Bereich (4) mit Zink-Atomen dotiert ist.

4. Optischer Sender oder Verstärker nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Abmessungen des Kristalls so gewählt werden, daß für die Emissionswellenlänge Resonanz besteht.

5. Optischer Sender oder Verstärker nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall zur selektiven Fluoreszenz bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs betrieben wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 970 869, 1052 563; Physical Review, Bd. 127, Nr. 5 vom 1. 9. 1962, S. 1559 bis 1563.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 758/165 12.64 © Bundesdruckerei Berlin