DE3005536C2

DE3005536C2 - Laserelement

Info

Publication number: DE3005536C2
Application number: DE3005536A
Authority: DE
Inventors: Kakuei Hirakata Osaka Matsubara; Toshinori Nagaokakyo Kyoto Takagi
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1979-02-16
Filing date: 1980-02-14
Publication date: 1982-10-21
Also published as: GB2044519A; JPS5719585B2; GB2044519B; DE3005536A1; JPS55110089A

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserelement mit einem einkristallinen Zinkoxidkörper.

Ein derartiges Laserelement mit einem einkristallinen Zinkoxidkörper ist bekannt (Applied Physics Letters 9 [1966], Nr. I,Seiten 13/15).

Bekanntlich werden die verschiedenen Laser als optische Quellen oder optische Verstärker für optische Kommunikations- oder Nachrichtensysteme, optische, integrierte Schaltungen oder für optische Datenverarbeitung verwendet. Als optische Quellen oder Verstärker werden Halbleiterlaser eingesetzt, da deren Abmessungen klein sein können und sie in festem Zustand vorliegen. Allerdings war es bisher erforderlich, die Halbleiterlaserelemente mit hoher Kristallqualitäi herzustellen, um die erwünschte Laseremission zu erhalten. Um die hohe Kristallqualität zu erreichen war es erforderlich, komplizierte und hochempfindliche Herstellungsverfahren einzusetzen. Dadurch wird wiederum die gewerbliche Ausnutzbarkeit der bekannten Halbleiterlaserelemente beschränkt.

Dagegen ließe sich ein Laser der eingangs genannten Art mit einem einkristallinen Zinkoxidkörper leicht herstellen. Ein solcher Laser ist nämlich in dünnen Filmen herstellbar und wäre im Prinzip für den herkömmlichen Halbleiterlaser einsetzbar. Der bekannte ZnO-Laser emittiert jedoch Strahlung im ultraviolet ten Bereich bei Temperaturen nahe der Temperatur des flüssigen Stickstoffs. Insbesondere die Emission im UV und das Erfordernis der tiefen Temperatur macht diesen bekannten Laser ungeeinget für eine Vielzahl von Anwendungsfällen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das Laserelement der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß es bei normaler Temperatur rote Laserstrahlung emittiert, ohne dabei einen erhöhten Herstellungsaufwand zu erfordern und somit für den herkömmlichen Halbleiterlaser einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Die Erfindung ermöglicht ein Laserelement, das wirksam als optische Quelle oder Verstärker für optische Kommunikationssysteme oder optische integrierte Schaltungen anstelle der bisher verwendeten Halbleiterlaser anwendbar ist Das Laserelement nach der Erfindung ist in den Abmessungen kleiner und ist in einem dünnen Film herstellbar, so daß es einfach behandelt und in verschiedene optische Systeme eingebaut werden kann. Außerdem kann das erfindungsgemäße Lasereiemeni durch einfache Fertigung ic und Herstellungssteuerung bei im Vergleich zu bisherigen Halbleiterlasern verringertem Fertigungsaufwand hergestellt werden.

Das ZnO-Laserelement nach der Erfindung strahlt rote Laserstrahlung mit einer Spitzenwert-Wellenlänge ι⁵ von ca. 695 nm bei Raumtemperatur ab.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Laserelements und dessen Herstellungsverfahrens werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für ein reaktives Agglomerat-Aufdampf-Verfahren, das zum Herstellen des Laserelements geeignet ist Fig.2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Messen des Emissionsspektrums eines Laserelementes nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Lichtwellenlänge und der relativen Lichtstärke des Laserelements,

Fig.4 Emissionsspektrum des Laserelements bei Elektronenanregung in dreidimensionaler Darstellung mit der Beschleunigungsspannung für die Elektronen als Parameter,

F i g. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Beschleunigungsspannung und der Licht-'5 stärke des Laserelements und

F i g. 6(a) bis 6(d) tatsächliche Anordnungen des Laserelements.

Das vorliegende ZnO-Laserelement kann durch

verschiedene Methoden hergestellt werden. In einem Ausführungsbeispiel, das weiter unten beschrieben ist, wird das ZnO-Laseremissionselement durch ein Agglomerat-Aufdampf-Verfahren mit reaktiven ionischen Agglomeraten hergestellt, das vorzugsweise anwendbar ist, um eine einkristalline Dünnschicht zu bilden, und dem einfach Fremdstoffe zusetzbar sind.

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für das Agglomerat-Aufdampf-Verfahren. In Fig. 1 ist ein geschlossener Tiegel 1 gezeigt, der mit einer oder mit mehreren Düsen la ausgestattet ist. Der Tiegel 1 enthält zu verdampfende Materialien 2, nämlich Zink (Zn) und Lithium (Li). Dabei ist es möglich, zwei Tiegel vorzuziehen, deren jeder Zn und Li enthält.

Ein Substrathalter 3 enthält ein Substrat 4, das gegenüber der Düse la des Tiegels 1 positioniert oder justiert ist Eine Kathode 5 ist auf dem Weg des aus der Düse la austretenden Dampfes vorgesehen und kann bei Erwärmung Thermionen emittieren. Eine lonisationselektrode 6 wird auf einem positiven Potential bezüglich der Kathode 5 gehalten und kann die von der Kathode 5 emittierten Elektronen beschleunigen, wodurch diese auf den Dampf auftreffen, so daß der Dampf ionisierbar ist. Weiterhin ist eine Beschleunigungselcktrode 7 zum Beschleunigen des ionisierten Dampfes vorgesehen. Ein Verschluß 8 schirmt das b5 Substrat 4 vor dem Bombardement des Dampfes ab. wenn dies erforderlich ist. Eine Heizeinrichtung 9 ist in der Nähe des Tiegels 1 vorgesehen und kann den Tiegel 1 erwärmen, um das Material 2 zu verdampfen. In der

Nähe der Düse la gibt es ein Gaszufuhrrohr 11 mit einer Gassprühdüse 11a an seinem Abschlußende, das zur Düse la gerichtet ist. Das Gaszufuhrrohr 11 führt ein Gas zu, das zu dem aus der Düse 1 a austretenden Dampf reaktiv ist. Eine Heizeinrichtung 12 dient zum Erwärmen des Substrates 4. Eine (nicht gezeigte) Glasoder Vakuumglocke nimmt alle obenerwähten Bauteile unter einer Hochvakuumatmosphäre auf.

Im folgenden wird ein praktisches Beispiel des durch die oben erläuterte Vorrichtung hergesteluen ZnO-Laserelementes näher beschrieben.

Zunächst werden die Materialien 2, die aus einem hochreinen Zn und einem metallischen Lithium bestehen, das in einem Bereich von 0,001 Gew.-°/o bis 10 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% bezüglich des Zn ist, in den Tiegel 1 gebracht, und der Tiegel 1 wird durch die Heizeinrichtung 9 erwärmt, um das Material 2 zu verdampfen. Das aus einem monokristalünen Saphir bestehende Substrat 4 wird auf dem Substrathalter 3 befestigt Bei dem sog. Agglomerat-Aufdampfverfabren (US-PS 40 98 919) wird der Tiegel i so erwärmt, daß der Dampfdruck innerhalb des Tiegels 1 wenigstens 10²fach so hoch wie der Atmosphärendruck um den Tiegel 1 ist. Das heißt, die Temperatur zum Erwärmen des Tiegels 1 wird so gesteuert, daß der Dampfdruck innerhalb des Tiegels 1 wenigstens in einem Bereich von 0,i Pa bis 100 Pa liegt, wenn der Atmosphärendruck um den Tiegel 1 nach der Zufuhr des reaktiven Gases vom Gaszufuhrrohr 11 ca. 10-³ Pa bis 1 Pa beträgt. Im Agglomerat-Aufdampf-Verfahren ist es zweckmäßig, daß die Druckdifferenz zwischen dem Dampfdruck im Tiegel 1 und dim Atmosphärendruck um den Tiegel 1 so hoch als möglich ist.

Die im Tiegel 1 erwärmten und verdampften Materialien 2 werden über die Düse la in den Außenraum des Tiegels 1 ausgestoßen, der auf einem Hochvakuum gehalten ist. Beim Ausstoßen sind die verdampften Materialien einer Unterkühlung ausgesetzt, die durch deren adiabatische Ausdehnung hervorgerufen ist, und deren Atome werden lose miteinander durch van der Waals'sche Kräfte verbunden, wobei eine Anzahl von Agglomeraten entstehen, die jeweils gewöhnlich aus ca. 500 bis 2000 Atomen bestehen, denen eine große kinetische Energie bei Ausstoßen aus der Düse la erteilt wird, so daß sie zum Substrat 4 fliegen.

Wie oben erläutert wurde, ist die Gaszuführdüse 11a des Gaszufuhrrohres U zur Düse la des Tiegels 1 gerichtet. Das Gaszufuhrrohr 11 speist eine kleine Menge an Sauerstoff-(O2)-Gas in den von der Düse la ausgestoßenen Dampf, und der sich ergebende Dampf fliegt zum Substrat 4. Der Druck in der Vakuumglocke nach der Einführung des Sauerstoff-Gases beträgt vorzugsweise ca. 1O^-3Pa bis IPa, wie dies oben erläutert wurde, und es ist zweckmäßig, daß die Agglomerate, in die das Sauerstoff-Gas eingeführt ist, innerhalb der Vakuumglocke nicht gebrochen werden.

Die aus Zn- und Li-Dampf und ai;s CVGas bestehenden Agglomerate werden mit einem Strahl von Elektronen beschossen, die vom Heizdraht 5 emittiert und durch die Ionisationselektrode 6 während des Durchganges durch den Raum der lonisationselektrode 6 beschleunigt sind, um dadurch einzelne Atome der Agglomerate zur Bildung von ionisierten Agglomeraten zu ionisieren. Die ionisierten Agglomerate fliegen zum Substrat 4 zusammen mit einem Oj-Ion, nicht ionisierten Agglomeraten und O>. während sie durch die Wirkung eines elektrischen Feldes beschleunigt sind.

Die Beschleunigungselektrode 7 liegt an einer hohen Beschleunigungsspannung, die bezüglich des Tiegels 1 negativ ist, und die ionisierten Agglomerate erhalten kinetische Energie durch die Beschleunigungsspannung, um cuf das Substrat 4 zusammen mit den neutralen Agglomeraten und O2 aufzutreffen. Wenn die ionisierten Agglomerate mit dem Substrat 4 zusammenstoßen, zerfallen die ionisierten Agglomerate in einzelne atomare Partikel, die sich aufgrund der sogenannten Oberflächenwanderungseffekte, die aufgrund des Agglomerat-Aufdampf-Verfahrens und der chemischen Wirkung des in die Agglomerate eingeführten O₂-Gases auftreten, auf dem Substrat 4 bewegen, um das epitaktische Wachstum des hochkristallinen, mit Li versehenen ZnO-Filmes 13 zu erleichtern.

Bei dem Agglomerat-Aufdampf-Verfahren mit reaktiven ionisierten Agglomeraten kann das epitaktische Wachstum selbst bei einer derart niederen Substrattemperatur wie ca. 200° C wegen der aktivierten oder angeregten Reaktion befriedigend erfolgen, die auf der Ionisation von Zn, Li und O2 und der schnellen Einspritzgeschwindigkeit der Agglomerate oder deren Teile beruht, die durch den Zn- und Li-Dampf gebildet und vom Tiegel 1 ausgestoßen werden. Zusätzlich kann der epitaktisch gewachsene ZnO-FiIm 13, der auf seiner Oberfläche extrem glatt ist, aufgrund der Wanderungsenergie (Oberflächen-Diffusions-Energie während der Dampfabscheidung) der Agglomerate erhalten werden.

Dabei wird der epitaktisch gewachsene ZnO-FiIm 13 hoher Qualität durch die Dampfabscheidung unter den folgenden Bedingungen erzeugt:

Düsenzahl in Tiegel:
J5 Für die Ionisation vom
Heizfaden 5 emittierter
Elektronenstrom
An der Beschleunigungselektrode 7 liegende
Beschleunigungsspannung
Heiztemperatur
des Substrates 4:
Vakuum um Tiegel 1 nach
Einführung des O2-Gases
durch das

Gaszuführrohr 11:

Eins

250 mA bis 300 mA

0 bis 7 kV 200⁰C bis 300⁰C

0,05 bis 0,1 Pa

Um eine Analyse des Emissionsspektrums des so erzeugten ZnO-Filmes durchzuführen, wird dieser durch Elektronenstrahlen angeregt.

In Fig.2, die schematisch eine Vorrichtung zum Durchführen der Spektralanalyse zeigt, ist ein ZnO-Laserelement 21 vorgesehen, dem Li zugesetzt ist und das durch den oben beschriebenen Prozeß hergestellt ist. Das Laserelement 21 wird durch Elektronenstrahlen angeregt, die von einem Elektronenstrahlerzeuger 22 emittiert sind. Der Elektronenstrahlerzeuger 22 ist mit einer Hochspannungsquelle 23 verbunden, die die Ausgangsspannung steuern kann, um den Elektronenstrahlerzeuger innerhalb eines Bereiches von 0 V bis 20 Kv anzusteuern. Die vom Laserelement 21 auf einen Gitter-Monochromator 24 abgegebene Strahlung fällt ein. Weiterhin sind vorgesehen eine Fotoplektronen-Verstärkerröhre 25, ein Verstärker 26 zum Verstärken des Ausgangssignals von der Fotoelektronen-Verstärkerröhre 25, ein Mitnahmeverstärker 27 zum Herausnehmen von Signalen aus; dem Ausgang des Verstärkers 26 und zum Verstärken der Sienalc. ein

Schreiber 28 und eine Gleichstrom-Hochspannungsquelle 29 zum Ansteuern der Fotoelektronen-Verstärkerröhre 25. Weiterhin sind elektrooptische Impulsgeneratoren 30 und 31 zum Erzeugen von Ansteuersignalen für den Mitnahmeverstärker 27 bzw. einen optischen Impulsempfänger vorgesehen.

Das Emissionsspektrum des Laserelementes 21, die durch das in Fig. 2 gezeigte Meßinstrument erhalten sind, werden anhand der Fig.3 im folgenden näher erläutert.

In F i g. 3 ist die Lichtwellenlänge auf der Abszisse und die relative Lichtstärke auf der Ordinate aufgetragen. Eine Vollinienkurve (abstellt das Spektrum des mit Hilfe des anhand Fig.2 erläuterten Verfahrens hergestellten Laserelementes 21 dar, und eine Strichlinienkurve (b) gibt das Spektrum des von dem Substrat aus dem einkristallinen Saphir emittierten Lichtes an, das für Vergleichszwecke gemessen wird.

Das in Fig.2 gezeigte Laserelement 21 wird durch Aufdampfen einer mit Li versehenem ZnO-Schicht vorbereitet, die auf der (iT02)-Ebene des Saphiersubstrates 4 mittels der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung unter solchen Bedingungen niederzuschlagen ist, daß der lonisationsstrom zum Ionisieren der Agglomerate aus den von der Düse la ausgestoßenen Materialien 2 und dem von der Gassprühdüse 11a eingespeisten reaktiven O2-Gas 300 mA beträgt, daß die Beschleunigungsspannung an der Beschleunigungselektrode 7 den Wert 7 kV hat, und daß die Temperatur des durch die Wärmequelle 12 erwärmten Substrates 4 gleich 230⁰C ist. Die so erhaltene Filmdicke ist ca. 0,35 μπι, und der elektrische Widerstandswert beträgt ca. 10 Ω; mit Hilfe eines Röntgenstrahl-Verfahrens (X-ray locking) vor der Messung des Emissionsspektrums und dem »RHEED«- Muster wird erkannt, daß die C-Achse von ZnO im wesentlichen parallel zur (H02)-Ebene des Saphirsubstrates 4 orientiert ist.

Wie in der Kurve (b) der F i g. 3 gezeigt ist, kann bezüglich des Saphirsubstrates 4 die Emission mit dem Spitzenwert im Ultraviolett-Bereich von ca. 0,380 μπι aufgrund eines freien Exzitons und die Emssion mit dem Spitzenwert im Grün-Band von ca. 0.527 μπι beobachtet werden, die anscheinend auf Sauerstoff-Defekten beruht. Dagegen kann, wie in der Kurve (a) der F i g. 3 gezeigt ist, die Emission mit einem relativ weiten Spitzenwert von ca. 0,330 μπι bei Raumtemperatur aufgrund eines gebundenen Exzitons und die scharfe Rot-Emission von 0,695 μπι bezüglich des ZnO-Wachstumsfiimes beobachtet werden. Die Beschleunigungsspannung Vb der Elektronenstrahlen zum Anregen des Laseremissionselementes 21 beträgt in diesem Fall 10 kV, und der elektrische Strom mißt ca. 20 μΑ.

Um die Art der Emission mit der scharfen Emissionsspitze bei 0,695 μπι zu prüfen, die im ZnO-Wachstumsfilm beobachtet wird, wird das Spektrum der Emission des Laserelementes 21 gemessen, wenn dort verschiedene Beschleunigungsspannungen anliegen, wobei das Ergebnis in den Fig.4 und 5 dargestellt ist

F i g. 4 ist ein dreidimensionales Diagramm, das die Spektren der Emission in dem Bereich zeigt, in dem die scharfe Emission beobachtet wird. In F i g. 4 sind auf der .Y-Achse die Lichtwellenlänge, auf der V-Achse die Beschleunigungsspannung der Elektronenstrählen für die Anregung und auf der Z-Achse die Lichtstärke aufgetragen.

Fig.5 zeigt die Beziehung zwischen der Lichtstärke der Wellenlänge von 0,695 μπι und der Beschleunigungsspannung Vb der Elektronenstrahlen für die Anregung. Die Messung erfolgt bei Raumtemperatur, und der elektrische Strom Ib der Elektronenstrahlen beträgt 20 μΑ.

Wie aus den F i g. 4 und 5 zu ersehen ist, tritt die scharfe Emissionsspitze, die bei der Wellenlänge von 0,695 μιη beobachtet werden kann, auf, wenn die Beschleunigungsspannung Vb der Elektronenstrahlen für die Anregung über 6 kV beträgt. Dies bedeutet, daß

ίο eine kritische Spannung des gemäß F i g. 1 hergestellten Laserelementes nach der Erfindung 6 kV ist. Wie in Fig.4 dargestellt ist, fällt die Halbwertsbreite des Spitzenwertes entsprechend dem Anstieg in der Beschleunigungsspannung Vb ab, und wenn die Beschleunigungsspannung Vb der Elektronenstrahlen zum Anregen des Laserelementes 12 kV mißt, ist die Halbwertsbreite kleiner als ca. 3 nm.

Die Emissionsspitze bei der Wellenlänge von 0,695 μπι (vgl. oben) kann lediglich beobachtet werden, wenn der mit Li versehene ZnO-FiIm 13 epitaktisch auf der (lT02)-Ebene des Saphirsubstrates 4 aufgewachsen ist. Wenn der kristalline Zustand des ZnO-Wachstumsfilmes 13 schwach ist oder amorphes Glas für das Substrat 4 verwendet wird, wird keine Emissionsspitze bei der Wellenlänge von 0,659 μιτι beobachtet.

Als Ergebnis der Untersuchung der Moden und der Untersuchung des Lichtemissionsspektrums des mit Li versehenen ZnO-Filmes kann erkannt werden, daß in der Emissionsspitze bei 0,659 μιη stimulierte Emission vorliegt, daß die Emission vom kristallinen Zustand des ZnO-Wachstumsfilmes 13, der Art des verwendeten Substrates und dem Zusatz von Li abhängt, und daß es eine Schwellenspannung zum Anregen der Laseremission des ZnO-Filmes gibt. In Anbetracht dieser Tatsachen kann geschlossen werden, daß die Emission eine Laseremission ist.

Die Laseremission kann in diesem Fall theoretisch wie folgt erklärt werden:
Zunächst wird die Funktion von Li im ZnO-Epitaxialfilm 13 betrachtet Li wird in das Gitter des Zn^z+ eingebaut das eine hexagonale Wurtzit-Struktur hat, und eines der vier O²-Ionen, die Zn²⁺ umgeben, fängt ein positives Loch ein, um dadurch ein Akzeptorniveau zu bilden. Wenn in diesem Fall der kristalline Zustand des ZnO-Epitaxialfilmes 13 gering ist wie z. B. ein polykristalliner Zustand, so wird das positive Loch durch alle O²-lonen mit gleicher Wahrscheinlichkeitsverteilung eingefangen, was das Akzeptorniveau verbreitert Wenn jedoch der ZnO-Wachstumsfilm 13

so einkristallin ist sind alle Li⁺-Ionen gleichförmig an den Stellen O²~-Ionen angelagert, die in Energiethermen stabil sind (ca. eine um 152 meV kleinere Energie als die Stellungen der übrigen drei O² -ionen). Somit wird die zu bildende Akzeptorniveau-Breite extrem schmal.

Das Energieniveau von Li⁺ wirkt als ein Grundzustand bezüglich der injizierten Elektronen. Somit ist das lokalisierte, schmale Akzeptorniveau eine Grundanforderung, um die scharfe Emissionsspitze der Wellenlänge von 0,695 μηι zu erhalten, wie dies oben erläuterfwurde.

Der hochkristalline Zustand des Epitaxialfilmes hat einen bedeutenden Einfluß auf den Energiezustand eines gebundenen und eines freien Exzitons in der Nähe des Leitungsbandes und der hiermit zugeordneten Emission eines Vertikal-Moden eines optischen Phonons (LO-Phonon). Das heißt, die Emission im Ultraviolett-Bereich, die diesen Energieniveaus zugeordnet ist kann im epitaktischen Film von hoher Qualität beobachtet werden; wenn jedoch der kristalline

Zustand schwach oder gering ist, wird keine in Frage kommende Emission erkannt.

Die Emission mit der Spitze von 0,330 μίτι in der in F i g. 3 gezeigten Kurve wird als die den oben erläuterten Energieniveaus zugeordnete Emission angesehen.

Im folgenden wird die Tiefe betrachtet, in die die Elektronen durch Aufprallen in den mit Li versehenen ZnO-Epitaxialfilm bei der kritischen Spannung von 6 kV injiziert werden.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß der MittelwertTder Tiefe in einem kristallinen Wachstumsfilm, in die beschleunigte Elektronen injiziert werden können, proportional zum Quadrat der Beschleunigungsspannung Vb und umgekehrt proportional zur Dichte σ des Materials ist. Wenn die_Proportionalitätskcnstsrsie 2,5 χ !0-² beträgt, kann / wie folgt ausgedrückt werden:

T= 2,5χ 10-¹²O-' W(cm)

mit V&in V und σ in g/cm³.

Der Wert / wird berechnet, indem für Vb der Wert 6 kV (kritische Spannung) und für σ der Wert 4,1 g/cm³ eingesetzt werden. Dann wird als Ergebnis 7» 0,22 μίτι erhalten. Dies kommt dem Wert von 0,35 μιτι für den ZnO-Epitaxialfilm 13 des Laserelementes 21, das in der Messung durch die in Fig.2 gezeigte Vorrichtung verwendet wird, relativ nahe. Dies bedeutet, daß viele der injizierten Elektronen das Saphirsubstrat 4 erreichen, wenn die Beschleunigungsspannung der Elektronenstrahlen für die Anregung ca. 6 kV beträgt. Wenn die injizierten Elektronen über dem gesamten Wachstumsfilm verteilt sind, kann die scharfe Emission beobachtet werden. Das heißt, die kritische Spannung der Elektronenstrahlen für die Anregung ist abhängig von der Filmdicke des ZnO-Wachstumsfilmes 13 veränderlich, und die kritische Spannung tritt entsprechend der Filmdicke auf.

Die Ergebnisse der oben erläuterten Messungen werden vom Laserelement 21 erhalten, das durch epitaktisches Wachsen des mit Li versehenen ZnO-Filmes 13 auf dem Saphirsubstrat 4 durch das reaktive Agglomerat-Aufdampf-Verfahren vorbereitet wird. Eine weitere Behandlung zur Steigerung der Protonendichte ist nicht erfolgt. Die Halbwertsbreite der Laseremissionsspitze beträgt ca. 3 nm.

In herkömmlichen Halbleiterlasern, wie z. B. GaAs, die eine P-N-Übergangsschicht bilden, beträgt die Laseremissionsspitze ca. 10 nm, die dreimal breiter als die Halbwertsbreite des Laserelementes 21 ist. Beim herkömmlichen Halbleiterlaser kann die Halbwertsbreite der Emissionsspitze auf ca. 0,1 nm mittels eines Hohlraumresonator (Fabry-Perot-Resonator) verringert werden, der einen Reflexionsspiegel verwendet Entsprechend ist es im Laserelement dieser Art vorteilhaft, zwei Flächen zu polieren, die zueinander parallel und senkrecht zur Substratoberfläche liegen oder eine geeignete Gitterstruktur auf dem ZnO-FiIm auszubildeivum durch Rückkopplung die Photonendichte zu erhöhen und die Halbwertsbreite der Emissionsspitze kleiner als 0,1 nm zu machen.

Fig.6 zeigt schematisch eine das mit Hilfe des anhand Figur 1 erläuterten Verfahrens hergestellte Laserelement verwendende Laservorrichtung, die die Halbwertsbreite der Emissionsspitze zu 0,1 nm durch die Anwendung der obigen Behandlung macht.

Die in Fig. 6(a) gezeigte Vorrichtung umfaßt ein aus Saphir bestehendes Substrat 31, auf dem ein mit Li versehener ZnO-FiIm 32 durch Abscheiden reaktiver ionisierter Agglomerate epitaktisch aufgewachsen ist, und einen Elektronenstrahlerzeuger 33 zum Erzeugen von Elektronenstrahlen, um den ZnO-FiIm 32 anzuregen, wobei der Elektronenstrahlerzeuger 33 gegenüber zum ZnO-FiIm 32 vorgesehen ist. Das Substrat 31 und ίο der Elektronenstrahlerzeuger 33 sind in einem Vakuumgehäuse 34 mit wenigstens einem transparenten Fenster 34a für die Laserstrahlung enthalten, wobei das Vakuumgehäuse 34 unter einem Hochvakuumzustand gehalten wird. Wie in F i g. 6(b) gezeigt ist, kann eine der Oberflächen auf der Seite der Entnahme des Laserstrahles poliert sein, oder es können ein halbdurchlässiger Spiegel 35 und eine Gitterstruktur 36, die an der Oberfläche des ZnO-Films, gegenüberliegend dem Spiegel 35 vorgesehen werden.

Die Gitterstruktur 36 weist im Längsschnitt die Form aneinandargrenzender gleichseitige Dreiecke mit Abständen Α zwischen den Ecken, die einer Halbwertsbreite der Laseremissionswellenlänge entsprechen, die 0,695/2 = 0,3475 um beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt. Die Länge k des ZnO-Wachstumsfilmes ist ein ganzzahliges Vielfaches der Laseremissionswellenlänge und beträgt das 1,5 - 2fache bezüglich der Breite I₃.

Durch die Anordnung der oben erläuterten Gitterjo struktur wird eine Laseremission mit einer Wellenlänge von 0,695 μΐη und der Halbwertsbreite von kleiner als 0,1 nm erhalten.

Wenn im obigen Ausführungsbeispiel Licht von einem Ende des Schwingungs- oder Oszillationsraumes mittels eines Prisma-Kopplers eingeführt und vom anderen Ende entnommen wird, kann ein optischer Verstärker zum Verstärken des eingeführten Lichtes, z. B. zum Verstärken eines He-Ne-Lasers mit der Wellenlänge von 0,6328 μπι erhalten werden.
Im obigen Ausführungsbeispiel wird der mit Li versehene ZnO-Epitaxialfilm durch das Abscheiden reaktiver ionisierter Agglomerate erhalten, der den einkristailinen epitaktischen Wachstumsfilm auf dem Substrat bei der niederen Substrattemperatur von 200⁰C bilden kann. Jedoch ist der Prozeß oder das Verfahren zum Herstellen oder Vorbereiten des ZnO-Filmes nicht wesentlich für die Erfindung; vielmehr kann der ZnO-FiIm durch andere Verfahren hergestellt werden, wie z. B. durch Hochfrequenz- oder Gleichstrom-Sputter-(bzw. Zerstäubungs-JVerfahren oder durch ein CVD-Verfahren (CVD = chemische Dampf-Abscheidung), sofern auf dem Substrat ein hochkristalliner, epitaktisch aufgewachsener, mit Li versehener ZnO-FiIm gebildet wird. Auch ist darauf hinzuweisen, daß das Substrat nicht auf Saphir beschränkt ist; vielmehr ist es möglich, andere einkristalline Halbleitersubstrate oder Substrate verschiedener Materialien zu verwenden, auf denen ein einkristalliner dünner Film erzeugt werden kann. Weiterhin werden im obigen Ausführungsbeispiel die Elektrodenstrahlen als eine Anregungsquelle zum Emittieren von Laserstrahlung verwendet; jedoch kann die Laseremission durch eine andere Anregungsquelle, z. B. durch Licht oder ein elektrisches Feld, erhalten werden.

' Hierzu 3 Blatt Zeichnuncen

Claims

Patentansprüche:

1. Laserelement mit einem einkristallirien Zinkoxidkörper, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zinkoxidkörper Lithium zugesetzt ist

2. Laserelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Li⁺-Ionen im ZnO-Gitter an den O²-Ionen angelagert sind.

3. Laserelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lithium dem Zinkoxid in einem Bereich von 0,001 Gew.-% bis 10 Gew.-°/o. bezogen auf das Zink, zugesetzt ist.

4. Laserelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lithium dem Zinkoxid in einem Bereich von 0,1 Gew.-% bis 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Zinkoxid, zugesetzt ist

5. Laserelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zinkoxid epitaktisch auf einem einkristallinen Saphirsubstrat aurgewachsen ist