DE1489344C3 - Verfahren zum Betrieb eines Diodenlasers - Google Patents

Description

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Fig.6 ein zweites Anwendungsbeispiel des erfin- zwischen dem N-leitenden Gebiet4 und dem P-lei-

dungsgemäßen Dioderilasers zur wählbar gerichteten tenden Gebiet 5 statt und erzeugt dadurch einen

Lichtabgabe. durch die gestrichelte Linie abgegrenzten optischen

Der erfindungsgemäße Diodenlaser besteht aus Hohlraum 14, in dem sich eine stehende Welle bileinem Halbleiter mit PN-Übergang, der Licht je nach 5 det. Der Hohlraum 14 hat Eigenschaften, die der Konzentration der injizierten Träger zu absorbieren Wirkung des bekannten Perot-Fabry-Interferometers oder auszusenden vermag. Hierzu erfolgt über den entsprechen. Die bekannten Elemente sind dabei die PN-Übergang eine Trägerinjektion oberhalb eines reflektierenden Plattenoberflächen bzw. die Trenbestimmten Schwellenwertes, oder der Stromdurch- nungsflächen. ;.■■..■ gang wird über den PN-Übergang gesperrt, wenn an io In einem parallel zu dem PN-Übergang und senkdieser Stelle Licht absorbiert werden soll. Die ent- recht zu den reflektierenden Oberflächen verlaufensprechende Vorspannung des PN-Übergang entsteht den Gebiet entsteht eine angeregte Lichtemission. Da über den Halbleiterwiderstand durch von außen an- die in Lichtform abgegebene Energie von einem Teil legbare Betriebsspannungen. Der Diodenlaser nach des PN-Uberganges 6, der eine genügende positive F i g. 1 zeigt den Schnitt durch eine solche Anord- 15 Vorspannung haben muß, absorbiert wird, gibt die nung mit dem scheibenförmigen Halbleiterkörper 1 Bewegung des fiktiven Punktes : 13 nicht nur die und dessen Oberflächen 2 und 3. Der Halbleiterkör- Grenze der angeregten Emission an, sondern auch per 1 enthält das N-leitende Gebiet 4 und ein P-lei- die Richtungsänderung der Lichtemission, wie es an tendes Gebiet 5, welche durch einen PN-Übergang 6 späterer Stelle beschrieben ist. voneinander getrennt sind. Die Ebene des PN-Über- ao Voraussetzung für die Funktion der Anordnung ganges 6 verläuft im wesentlichen parallel zu den gemäß der Erfindung ist nur, daß sie aus einem Ma-Oberflächen 2 und 3 der Halbleiterscheibe. Das terial besteht, welches sich zur Trägerinjektion eignet P-leitende Gebiet 5 soll bei Stromdurchgang mög- und daß ein Gebiet gleichen Potentials auf der einen liehst gleiches Potential aufweisen. Diese Eigenschaft Seite des PN-Überganges vorhanden ist. Ferner ist wird in dem speziellen Beispiel der Fig. 1 dadurch »5 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Potentialgefälerreicht, daß auf das P-leitende Gebiet 5 ein Flächen- les zwischen ohmschen Kontakten auf der anderen kontakt 7 aufgebracht wird, beispielsweise durch Seite des PN-Überganges notwendig. Damit eine Überziehen mit Lötmittel oder einem anderen leiten- Trägerinjektion ermöglicht wird, besteht der HaIbden Material. Das N-leitende Gebiet 4 ist so auf ge- leiterkörper 1 zweckmäßigerweise aus einem monobaut, daß eine Potentialdifferenz zu dem P-leitenden 30 kristallinen Halbleitermaterial mit hoher Strahlungs-Gebiet 5 entsteht, was durch die Widerstandseigen- ergiebigkeit. Der PN-Übergang 6 hat seinen größeren schäften des Materials in Zusammenhang mit den Widerstand auf der Seite des N-leitenden Gebietes 4. ohmschen Kontakten 8 und 9'erreicht wird, welche in Der Aufbau der Anordnung gemäß der Erfindung einem Abstand 10 voneinander angeordnet sind. kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden, von Eine erste Spannungsquelle 11 ist zwischen dem 35 denen einige Möglichkeiten im folgenden aufgezeigt ohmschen Kontakte und einem Bezugspotential an- werden.

geordnet, eine zweite Spannungsquelle 12 mit entge- In F i g. 2 ist eine Möglichkeit zur Vergrößerung gengesetzter Polarität zwischen dem ohmschen Kon- des Abstandes 10 aus F i g. 1 hergestellt. Ein Gebiet takt 9 und dem gleichen Bezugspotential. Die Span- 17 innerhalb des N-leitenden Materials 4 ist entfernt nungen der Quellen 11 und 12 sind variabel. Der 40 worden. Da durch das Entfernen des Materials der Flächenkontakt 7 ist mit dem Bezugspotential ver- Querschnitt des N-leitenden Gebietes 4 zwischen der bunden. In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel tritt Fläche2 und dem PN-Übergang6 verringert wird, eine Änderung des Potentials innerhalb des N-leiten- erhöht sich der Widerstand zwischen den Kontakden Gebietes4 entlang der Strecke 10 zwischen den ten8 und9. Im Falle eines Injektionslasers würde Kontakten 8 und 9 auf, während das P-leitende Ge- 45 das Gebiet 17 am günstigsten auf der Seite des Halbbiet 5 durch den Flächenkontakt 7 im wesentlichen leitermaterials 1 gewählt, welche den optischen Hohlkonstantes Potential aufweist. Diese besondere An- raum 14 enthält. In F i g. 2 ist jedoch der Hohlraum Ordnung verursacht eine Änderung der Vor- 14 so angenommen, daß er innerhalb des P-leitenden spannung entlang des PN-Überganges 6. Durch Gebietes 5 liegt. Für die Herstellung einer solchen den Potentialunterschied wird der PN-Übergang 6 an 50 Anordnung ist es einfacher, das Gebiet 17 auf der dem fiktiven Punkt gleichen Potentials 13 in ein Ge- dem Hohlraum 14 entgegengesetzten Seite zu entferbiet positiver Vorspannung bis zu dem ohmschen nen und die Anordnung so zu wählen, daß nur das Kontakte und ein Gebiet negativer Vorspannung bis Gebiet gleichen Potentials5 den Hohlraum 14 entzu dem ohmschen Kontakt 9 aufgeteilt. Die Wahl des hält.

Gebietes einer Trägerinjektion innerhalb eines 55 In Fig.3 ist der Widerstand zwischen den ohm-

PN-Überganges erlaubt einmal die Beeinflussung der sehen Kontakten erhöht durch die Anordnung eines

Intensität des abgegebenen Lichtes, zum anderen Gebietes 18 innerhalb des N-leitenden Gebietes 4.

auch, wie aus den folgenden Figuren ersichtlich, die Das Material des Gebietes 18 ist entweder HaIb-

Richtungswahl des ausgestrahlten Lichts. Untersu- leitermaterial mit einem hohen spezifischen Wider-

chungen mit der erfindungsgemäßen Anordnung ha- 60 stand oder aber von entgegengesetztem Leitungstyp,

ben ergeben, daß PN-Übergänge, die nicht genügend Die Herstellung des Gebietes 18 kann durch Ätzen

injizierte Träger erhalten haben, die durch Rekombi- und anschließendes epitaktisches Ablagern oder .aber

nation frei werdende Energie absorbieren, so daß durch eine auf ein bestimmtes Gebiet beschränkte

sich in Verbindung mit der veränderlichen Vorspan- Diffusion innerhalb der Oberfläche 2 erfolgen. In

nung und den Absorptionseigenschaften des Halb- 65 dem Aufbau nach Fig.3, welche die Anordnung

leitermaterials eine genau dosierbare Einstellung der eines Injektionslagers darstellt, ist die Änderung des

Anordnung ergibt, die bisher nicht möglich war. Widerstandes auf der Seite, auf welcher das Gebiet

In solch einer Anordnung findet der Stromfluß der angeregten Emission liegt, vorgenommen.

In diesem Fäll erfolgt die Diffusion bzw. die Um- und 25 durch geeignete Vorspannung des unter den Wandlung des Halbleitermaterials bis an die Grenze Kontakten 22 und 24 liegenden Teils des PN-Überdes optischen Hohlraumbereichs. Da der Leitungstyp gangs 6 festgelegt wird. Dann erfolgt eine angeregte des Halbleitermaterials durch das Überwiegen eines Strahlungsemission in den entlang der Kontakte 21, Störstellentyps gegenüber einem anderen, und da der 5 23 und 25 verlaufenden Teilen der Vorrichtung, spezifische Widerstand durch die Anzahl der La- während in den entlang der in Sperrichtung vorgedungsträger des einen Typs gegenüber dem anderen spannten Kontakte 22 und 24 verlaufenden Teilen unter Berücksichtigung der Beweglichkeitsdifferenz der Vorrichtung eine Absorption stattfindet. Es ist zu der Ladungsträger bestimmt werden, verändert jeder erkennen, daß die Richtung der Lichtabstrahlung Mechanismus, der entweder das Überwiegen oder die io und der angeregten Emission durch einfache Umkeh-Anzahl von Ladungsträgern stört, den Widerstand rung der Funktion der Kontakte bestimmbar ist, so zwischen den ohmschen Kontakten. daß ein höherer Strom bzw. ein festgelegter Hohl-

In F i g. 4 ist ein anderer Aufbau dargestellt, der raum in dem einen Teil der Anordnung und eine Undie Anwendung des Erfindungsgedankens weiter ver- terdrückung in dem anderen Teil erreicht wird. anschaulichen soll. In der Anordnung gemäß F i g. 4 15 Erfindungsgemäß ist ein Diodenlaser mit geordneerhält das P-leitende Gebiet 5 ein einheitliches Po- ten Gruppen von ohmschen Kontakten im Gebiet des tential, indem der Kontakt? die gesamte Oberfläche einen Leitungstyps und in dem Gebiet des entgegenbedeckt. Die ohmschen Kontakte 8 und 9 verlaufen gesetzten Leitungstyps mit einem einheitlichen Poentlang der Kanten des Körpers, und der Haupt- tential versehen. Diese beiden Gebiete sind durch strom für den Betrieb der Vorrichtung wird zwischen ao einen breiten PN-Übergang getrennt, so daß die den Kontakten 19 und 20 zugeführt. Die Kontakte 8 Richtung des austretenden Lichts durch die entspreund9 können durch eine Aussparung, wie z.B. die chende Anlegung von Potentialen an bestimmten Rinne 17 in Fig.2, getrennt werden. Wenn die Vor- Kombinationen aus der Gruppe ohmscher Kontakte richtung von F i g. 4 als Injektionslaser dient, ist sie bestimmt werden kann, wenn das Gebiet des anderen für die angeregte Emission ausgestattet, und es wer- 45 Leitungstyps auf einem konstanten Bezugspotential den Perotsche-Fabry oder andere geeignete Mittel gehalten wird.

zur optischen Hohlraumreflexion angebracht. Ausge- Gemäß Fig.6 sind mehrere ohmsche Kontakte in

nutzt wird lediglich das Reflexionsvermögen gespal- dem Gebiet des einen Leitungstyps und ein Flächentener oder polierter paralleler Seitenflächen, das kontakt in einem Bereich des anderen Leitungstyps durch Brehzahldifferenz zwischen dem Halbleiter 30 angeschlossen. Auf diese Weise wird ein Gitter von und dem ihm umgebenden Medium verursacht wird Bereichen geschaffen, welche jeweils durch einen oder durch von außen aufgebrachte, entsprechend einzigen ohmschen Kontakt 30 angeschlossen sind, isolierte Metallspiegel. In der Anordnung nach Die Segmente des Gitters sind jeweils durch die oben F i g. 4 ist der Mittelteil des PN-Übergangs 6 unter beschriebenen Rillen 17 voneinander getrennt. Beim dem Kontakt 19 bei starkem Strom in Durchlaßrich- 35 Anlegen geeigneter Spannungen in der Weise, daß tung vorgespannt. Zwischen den Kontakten 8 und 9 alle Bereiche C des Gitters in Durchlaßrichtung und wird eine Bezugsvorspannung, in Sperrichtung ge- alle anderen Bereiche in Sperrichtung vorgespannt genüber dem Kontakt 20, angelegt, wodurch erfin- werden, wird die Injektion auf die aus diesen EIedungsgemäß an den Kanten jenseits der fiktiven menten bestehende Achse des PN-Überganges 6 bePunkte 13 die Strahlung zu den Seiten hin absorbiert 40 schränkt. Es tritt ein in dieser Richtung besonders wird, und gleichzeitig wandernde, transversale oder starkes Strahlungsmuster auf. Um die Richtung des andere unerwünschte Schwingungsarten in dem Strahlenbündels verschieben zu können, kann ein anHohlraum mit angeregter Emission unterdrückt wer- derer Satz von Gitterelementen, z.B. die mitA beden. Diese elektronische Steuerung verbessert ganz zeichneten, in Durchlaßrichtung vorgespannt werden, wesentlich die bisher übliche Dimensionierung des 45 während alle anderen Elemente in Sperrichtung vorHohlraumes durch Schneiden, Ätzen, usw. gespannt sind. Eine solche Vorrichtung zum Ver-Bei einem gegebenen Strom in Durchlaßrichtung schieben eines Lichtstrahls kann dann zum schnellen zwischen den Kontakten 19 und 20 ist die effektive Abtasten oder als Vielfachschalter verwendet wer-Hohlraumabmessung steuerbar durch das zwischen den. Bei Betrieb als Injektionslaser dienen die Segden Kontakten 8 und 9 angelegte Potential, und die 50 mente der gezeigten zylindrischen Flächen mit geSchwelle für die Laserwirkung kann leicht verscho- meinsamem Krümmungsmittelpunkt als Grenzspieben werden je nach der Kombination des Stroms gel. Bestimmte Einzelheiten wie z.B. Herstellungszwischen den Kontakten 19 und 20 und der an die verfahren für die geeignete Dimensionierung des Kontakte 8 und 9 gelegten Spannungen. Es liegt auf Laserhohlraums, die zum bekannten Stand der Techder Hand, daß logische Verknüpfungen, wie z. B. 55 ^nik gehören, sind hier nicht im einzelnen besprochen »Und« und »Oder« sich leicht mit dieser Anordnung worden. Trotzdem wird im folgenden ein spezielles realisieren lassen. Ausführungsbeispiel der Anordnung nach F i g. 1 an-

F i g. 5 zeigt die Wahl der Lichtemissionsrichtung. gegeben.

Die Anordnung gemäß F i g. 5 enthält mehrere ohm- Es handelt sich dabei um einen Injektionslager,

sehe Kontakte 21 bis 25, zwischen denen jeweils eine 60 dessen Körperl aus GaAs-Halbleitermaterial be-Potentialdifferenz vorhanden ist. Die Vorrichtung steht. Um ein Minimum an Ladungsträger-Fangstelvon Fig.5 kann zur Abgabe einer angeregten Emis- len zu erhalten, wird monokristallines Material mit sion veranlaßt werden, indem entweder Ströme durch einigen kristallinen Verunreinigungen verwendet, parallelgeschaltete Kontaktgruppen, wie z.B. 21, 23 Das Material GaAs wird gewählt wegen seiner be- und 25, so lange addiert werden, bis zu hohe Verlu- 65 sonders hohen elektrooptischen Umsetzleistung, obste überwunden werden müssen, oder indem der wohl bei der gegenwärtigen Erforschung von HaIb-Strom nur an einer Klemme, wie z. B. 23, zugeführt leiterstoffen ständig neue Materialien für elektrooptiwird und der Hohlraum unter den Kontakten 21, 23 sehen Wandler mit hoher Leistung untersucht wer-

den und neue Stoffe zur Verfügung stehen werden. Der Abstand 10 beträgt zwischen den ohmschen Kontakten 8 und 9 0,13 mm. Die vertikale Abmessung zwischen der Oberfläche 2 und dem PN-Übergang 6, die den N-Bereich4 definiert, beträgt 0,076 mm und die vertikale Abmessung zwischen der Oberfläche 3 und dem PN-Übergang 6, die den P-Bereich 5 definiert, beträgt 0,025 mm. Der Flächenkon-

takt 7 besteht aus plattiertem Nickel oder Gold oder einer Legierung, wie z.B. Lötmittel. Die Dotierung im N-Bereich 4 beträgt beispielsweise 10¹⁷ bis 10¹⁹ Störatome pro ecm, und die durchschnittliche Störstellendichte im P-Bereich5 beträgt 10¹⁹ Störatome pro ecm. Um eine gute Injektionsleistung am PN-Übergang 6 zu erhalten, kann eine höhere Störstellendichte im P-Bereich 5 verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (6)

1 2 haben zwar einen relativ einfachen Aufbau und sind Patentansprüche: darüber hinaus auch leicht zu betreiben, besitzen jedoch den Nachteil, daß eine gesteuerte Lichtabgabe

1. Verfahren zum Betrieb eines Diodenlasers, nicht ohne weiteres zu erzielen ist. Zur Behebung dessen PN-Übergang senkrecht zur Lichtaustritts- 5 dieses Problems ist deshalb bereits vorgeschlagen fläche und parallel zu einer an der ersten Halb- worden, einen Diodenlaser, wie eingangs erwähnt, leiterzone angebrachten breitflächigen Elektrode mit zwei unabhängig zu betreibenden Elektroden zu liegt und dessen zweite Halbleiterzone minde- versehen, um ein optoelektronisches Schaltglied bestens zwei unabhängig voneinander zu betrei- reitzustellen, das z. B. nur beim Zuführen von Ströbende, relativ kleinflächige Elektroden trägt, io men zu beiden Elektroden eine induzierte Emission dadurch gekennzeichnet, daß an min- auslöst, da in diesem Fall der hierzu erforderliche destens eine kleinflächige Elektrode ein gegen- Schwellenwert überschritten wird (DT-PS 1220 054). über dem an der breitflächigen Elektrode (7) an- Eine Richtungssteuerung der Lichtabgabe ist hiermit liegenden Potential (Masse) negatives Potential jedoch nicht ohne weiteres möglich.

angelegt wird und daß an mindestens eine der 15 Mit Hilfe der Erfindung soll nun in Behebung der

restlichen freien kleinflächigen Elektroden ein ge- obengenannten Nachteile eine andersartige Steue-

genüber dem an der breitflächigen Elektrode (7) rungsaufgabe bei einem Diodenlaser gelöst werden,

anliegenden Potential (Masse) positives Potential nämlich die in wirksamer Weise die Richtung der

zugeführt wird. vom Diodenlaser abgegebenen Ausgangsstrahlung je-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- ao weils wählbar festzulegen.

kennzeichnet, daß bestimmte Gruppen der auf Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe zur

der zweiten Halbleiterzonenoberfläche ange- Steuerung eines Diodenlasers dadurch gelöst, daß an

brachten kleinflächigen Elektroden parallel ge- mindestens eine kleinflächige Elektrode ein gegen-

schaltet werden. über dem an der breitflächigen Elektrode anliegen-

3. Anordnung zur Durchführung des Verfah- 35 den Potential, negatives Potential angelegt wird und rens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- daß an mindestens eine der restlichen freien kleinfliizeichnet, daß die Störstellendichte in der N-Zone chigen Elektroden ein gegenüber dem an der breitflä-(4) kleiner ist als in der P-Zone (5). chigen Elektrode anliegenden Potential, positives Po-

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch ge- tential zugeführt wird. Auf diese Weise wird erreicht, kennzeichnet, daß der Querschnitt der zweiten 30 daß bei Abstrahlen in einer Richtung infolge Über-Halbleiterzone (4, F i g. 2) zwischen je zwei klein- schreitens des kritischen Schwellenwertes an der beflächigen Elektroden (8,9) geringer ist als unter- treffenden Stellen des Diodenlasers gleichzeitig an halb dieser Elektroden (8,9). den anderen Stellen des Diodenlasers eine Absorp-

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, da- tionswirkung zu verzeichnen ist, da dort der durch gekennzeichnet, daß in die zweite Halb- 35 PN-Übergang in Sperrichtung vorgespannt wird, leiterzone (5, F i g. 3) zwischen je zwei kleinflä- In vorteilhafter Weise läßt sich die Erfindung so chigen Elektroden (8,9) eine dritte Zone (18) ho- weiterbilden, daß bestimmte Gruppen der auf der hen spezifischen Widerstandes oder entgegenge- zweiten Halbleiterzonenoberfläche angebrachten, setzten Leitfähigkeitstyps eingelassen ist. kleinflächigen Elektronen parallel geschaltet werden,

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 40 was insbesondere dann von Vorteil sein kann, wenn bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand bestimmte Vorzugsrichtungen mit Hilfe des Diodenzwischen den Elektroden (7 und 8) ungefähr 0,1. lasers, gemäß der Erfindung, zur Laserstrahlabgabe mm beträgt, daß der vertikale Abstand zwischen wählbar sein sollen.

der Oberfläche (2) und dem PN-Übergang (6) Dadurch, daß gemäß einem weiteren Erfindungs-

ungefähr 0,07 mm beträgt, daß der vertikale Ab- 45 gedanken, die Störstellendichte in der N-Zone kleistand zwischen der Oberfläche (3) und dem ner ist als in der P-Zone, läßt sich eine gute Injek-PN-Übergang (6) ungefähr 0,025 mm beträgt, tionsleitung erzielen. Dieser Effekt läßt sich noch daß der Flächenkontakt (7) aus plattiertem Nik- verstärken, wenn der Querschnitt der zweiten Halbkel oder Gold oder einer Legierung (z. B. Lötmit- leiterzone zwischen je zwei kleinflächigen Elektroden tel) besteht und daß die Dotierung im N-leiten- 50 geringer gewählt ist, als unterhalb dieser Elektroden. den Gebiet (4) 10¹⁷ bis 10¹⁹ Fremdatome pro cm³ Fernerhin ist es vorteilhaft, wenn vorgesehen ist,

und die durchschnittliche Dotierung im P-leiten- daß in die zweite Halbleiterzone zwischen je zwei den Gebiet (5) 10¹⁹ Fremdatome pro cm³ beträgt. kleinflächigen Elektroden eine dritte Zone hohen

spezifischen Widerstandes oder entgegengesetzten 55 Leitfähigkeitstyps eingelassen ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der

folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb F i g. 1 einen Diodenlaser gemäß der Erfindung,

eines Diodenlasers, dessen PN-Übergang senkrecht 60 F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen zur Lichtaustrittsfläche und parallel zu einer an der Diodenlaser gemäß der Erfindung, ersten Halbleiterzone angebrachten, breitflächigen F i g. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel für einen

Elektrode liegt und dessen zweite Halbleiterzone erfindungsgemäßen Diodenlaser, mindestens zwei unabhängig voneinander zu betrei- Fig.4 ein viertes Ausführungsbeispiel für einen

bende, relativ kleinflächige Elektroden trägt. 65 Diodenlaser gemäß der Erfindung,

Optoelektronische Festkörper, wie Diodenlaser, in F i g. 5 ein erstes Anwendungsbeispiel des erfin-

denen durch Injektion und anschließende Trägerre- dungsgemäßen Diodenlasers zur wählbar gerichteten kombination in einem Halbleiter Licht erzeugt wird, Lichtabgabe,