DE69120595T2

DE69120595T2 - Kompakter, elektronengepumpter Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE69120595T2
Application number: DE69120595T
Authority: DE
Inventors: Guy Labrunie; Engin Molva
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1990-04-25
Filing date: 1991-04-23
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2011-04-24
Also published as: US5125000A; EP0454566A1; FR2661566B1; JPH05275794A; DE69120595D1; JP3192164B2; FR2661566A1; NO911603D0; NO911603L; EP0454566B1

Description

Die vorliegende Erfindung hat einen kompakten elektronengempumpten Halbleiterlaser zum Gegenstand. Sie betrifft insbesondere alle Arten der optischen Datenverarbeitung; sie kann in den CD-Lesern (Audio oder Video) genutzt werden, bei den optische Speichern, bei den Laserdruckern oder den Strichcodelesern. Sie betrifft auch die optische Aufzeichnung und die instrumentelle Laborausrüstung.
Es gibt drei Typen von Halbleiterlasern, die Halbleiterlegierungen als Laserresonator verwenden und sich durch die Art der Erzeugung des Lasereffekts unterscheiden. Es sind dies die Injektionslaserdioden, die elektronengepumpten Laser und die optisch gepumpten Laser.
Die hauptsächlichen handelsüblichen Kompaktprodukte sind die III-V-Injektionslaserdioden. Die Herstellung von Laserdioden bedarf komplexer Dünnschichten-Dotier- und -Metallurgietechniken, die nur für die Halbleiter der Gruppe der III-V-Verbindungen auf der Basis der Atome von Ga, Al, In, As, P und Sb beherrscht werden. Der Hauptvorteil der III-V-Laserdioden ist ihre Kompaktheit, d.h. ihr geringer Platzbedarf in der Größenordnung 1 cm³. Jedoch ist der Hauptnachteil der III-V-Laserdioden die Beschränkung auf den Emissionswellenlängenbereich zwischen 0,6 und 1,55 µm, bedingt durch die ausschließliche Verwendungsmöglichkeit der III-V-Materialien.
Von den anderen bekannten Halbleiterlasertypen benutzen die elektronengepumpten Laser ein Elektronenbombardement, um den Halbleiter zu erregen. Üblicherweise erfolgt das Elektronenpumpen mit Hilfe einer Elektronenkanone. Eine derartige Ausführung ist beschrieben in dem Artikel von A. Nasibov, "Laser cathode ray tubes and their applications", SPIE Bd. 893 High power laser Diodes and Applications S. 200-202 (1988). Elektronengepumpte Laser werden ebenfalls beschrieben in dem Artikel von O.V. Bogdankevich u.a. "Variable-gap AlxGa1-xAs heterostructure for an electron-beam-pumped laser", Soviet Journal of Quantum Electronics, 17 (1987)9, Seiten 1155-1156.
Der Hauptvorteil dieser Laser ist die Trennung der Funktionen "Pumpquelle" und "Laserresonator", die ermöglicht, alle Halbleiter mit direkter Bandlücke zu verwenden und insbesondere solche, die keine Direktinjektion erlauben, also die Herstellung von Injektionslaserdioden. Die Verwendung aller Halbleiter mit direkter Bandlücke bzw. Gap ermöglicht, den Wellenlängenbereich von Ultraviolett bis Infrarot auszudehnen.
Jedoch liegt bei den elektronengepumpten Halbleiterlasern die benutzte Stromdichte in der Größenordnung von 10 bis 100 A/cm²; die benutzte Beschleunigungsspannung ist in der Größenordnung von 20 bis 100 kV. Diese hohen Werte verbieten die Herstellung eines solchen Halbleiterlasers mit geringem Volumen (der Größenordnung 1 cm³), der kompakt ist und Abmessungen und Vorzüge aufweist wie die III-V-Laserdioden. Auf Grund der hohen Energiedichten ist nur der gepulste Betrieb zulassig und ihre Anwendung ist begrenzt auf die für die Anzeige benutzten Laser.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung eines Halbleiterlasers des elektronengepumpten Typs mit kompakter Form und geringem Volumen (der Größenordnung 1 cm³), dem der III- V-Dioden vergleichbar und mit den spezifischen Vorteilen des elektronengepumpten Halbleiterlasers.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, verbunden mit den spezifischen Vorteilen der elektronengepumpten Laser, ist die Herstellung von Lasern, die Lichtstrahlung in einem Wellenlängenbereich liefern, der von Ultraviolett bis zum mittleren Infrarot reicht, abhängig von der Art des verwendeten Halbleitermaterials.
Die Erfindung ermöglicht, diese Ziele zu erreichen, indem sie in einer kompakten Vorrichtung einerseits eine kompakte Elektronenquelle verwendet und andrerseits einen Halbleiter- Laserresonator, der kompakt ist und eine spezielle Struktur aufweist, um eine Stromschwelle und eine Beschleunigungsspannung der schwachen Elektronen zu haben.
Genauer betrifft die Erfindung einen Halbleiterlaser, einen Halbleiter und eine Elektronenbombardement-Pumpvorrichtung umfassend, wobei der Halbleiter eine Resonanzstruktur ist, die einen Lasereffekt aufweist bei einer Elektronen-Schwellenstromdichte kleiner als 10 A/cm² und bei einer Elektronen-Beschleunigungsspannung kleiner als 30 kV, wobei dieser Laser dadurch gekennzeichnet ist:
a) daß der Halbleiter eine Heterostuktur aufweist, die der nachfolgend erstellten Reihenfolge entsprechend wenigstens umfaßt:
- eine Elektronenerregungszone;
- eine erste Einschließungszone;
- eine aktive Zone;
- eine zweite Einschließungszone, wobei die aktive Zone zwischen der ersten und der zweiten Einschließungszone angeordnet ist;
b) daß die Elektronenbombardement-Pumpeinrichtung eine kalte Elektronenquelle mit einem Volumen kleiner als 1 cm³ ist.
Vorzugsweise weist die Elektronenerregungszone einen abnehmenden Bandlückengradienten ("gap") auf.
Ebenso weisen die Einschließungszonen vorzugsweise einen Indexgradienten auf.
Ein schwacher Schwellenstrom und eine geringe Beschleunigungsspannung ermöglichen, die Dichte der dem Halbleiter zugeführten Energie wesentlich zu senken. Dies ermöglicht, bei einer einfacheren Zusammensetzung der Laservorrichtung und der Verwendung einer kalten Elektronenquelle mit einem Volumen kleiner als 1 cm³, einen kompakten Laser mit den vorhergehend zitierten Vorteilen herzustellen.
Nach einer besonderen Ausführung der Erfindung ist die Heterostruktur multipel. Sie kann zusammengesetzt sein aus Legierungen auf der Basis von Cd, Zn, Mn, Hg, Te, Se, S, usw..
Die verwendeten Halbleiter sind solche des Typs mit direktem Gap; sie werden z.B. ausgewählt zwischen den III-V- und II-VI-Verbindungen und ermöglichen, den Wellenlängenbereich von Ultraviolett bis Infrarot abzudecken.
Um Laserstrahlen in einem großen Wellenlängenbereich zu erhalten, ist der Halbleiter vorzugsweise eine II-VI-Verbindung.
Der Halbleiter präsentiert sich in Form eines Resonators des Typs Fabry-Perot, dessen Spiegel hergestellt werden mittels Spaltung und eventuell durch das Schneiden von optischen Dünnschichten mit dem Zweck, die Reflexionsfähigkeit des Spiegels zu steuern. Eventuell kann der Resonator ein Resonator des Typs Verteilungsresonator (caviteé distribuée) sein, z.B. Rückkopplungs- Verteilungsresonator (cavité rétroaction distribuée) oder Bragg- Reflektor-Verteilungsresonator (cavité réflecteur de Bragg distribuee).
Die aktive Zone kann gebildet werden durch einen einfachen Topf oder einen Quantentopf oder einen Multiquantentopf oder ein Übergitter oder eine Kombination dieser Strukturen.
Die Pumpvorrichtung kann ausgewählt werden unter den kalten Elektronenquellen mit PN-, PIN- oder Schottky-Übergang, mit Metall-Isolator-Metall-Struktur mit Tunneleffekt oder durch Verwendung von ferroelektrischen Materialien.
Vorzugsweise benutzt man durch Mikroelektroniktechniken hergestellte kalte Elektronenquellen, was die Serienherstellung der Vorrichtungen ermöglicht.
Vorzugsweise ist die Pumpvorrichtung eine kalte Elektronenquelle mit Mikrospitzen-Emissionkathoden.
Man kann vorteilhafterweise eine kalte Elektronenquelle verwenden, die gebildet wird durch invers vorgespannte Siliciumkathoden mit PN-Übergängen.
Diese beiden Quellentypen können Mosaik-, Matrix- oder Mosaikmatrixstruktur aufweisen.
Nach einer besonderen Ausführungsart umfaßt der Laser:
- eine Zelle unter Vakuum mit einem transparenten Fenster für den Austritt eines Laserstrahls, eine erste Wand dieser Zelle, die die kalte Elektronenquelle trägt,
- in dieser Zelle wenigstens einen Halbleiter, der einen Laserstrahl erzeugen kann,
- in dieser Zelle, der kalten Elektronenguelle gegenüber befestigt, wenigstens eine Elektrode, die den Halbleiter mit einem bestimmten Abstand von der kalten Elektronenquelle und dieser gegenüberstehend festhält.
Vorteilhafterweise hat diese Elektrode eine geeignete Form, um auf den Halbleiter elektrische Feldlinien zu fokussieren, die von der kalten Elektronenquelle stammen. Diese Form kann z.B. konisch oder pyramidal sein, wobei der Halbleiter an der Spitze angeordnet ist.
Bei einer speziellen Ausführung umfaßt der Laser Einrichtungen zur band- bzw. streifenförmigen Fokussierung der von der kalten Elektronenquelle stammenden Elektronen.
Vorzugsweise werden diese Einrichtungen gebildet durch leitende Schirme (écrans conducteurs), angeordnet beiderseits des Elektronenstrahls mit einer für die Fokussierung geeigneten Form.
Vorteilhafterweise umfaßt der Laser ein Kühlsystem, das außerdem eine Regelung der Parameter des gelieferten Lichtstrahls ermöglicht. Dieses System kann z.B. aus einem einfachen Abstrahler bestehen oder einem thermoelektrischen Kühler des Typs Peltiereffekt.
Die Charakteristika und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden, beispielhaften und keinesfalls einschränkenden Beschreibung hervor, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Figur 1A zeigt schematisch eine Heterostruktur einer II-VI- Verbindung, benutzt als aktives Material eines erfindungsgemäßen Lasers, und die Gap-Energie von jeder der Heterostruktur-Zonen;
- die Figur 1B zeigt den Fabry-Perot-Resonator, hergestellt durch Schneiden und Spalten des Halbleiters;
- die Figuren 2A und 2B zeigen schematisch jeweils ein Mosaik und eine Matrix von Mikrospitzenkathoden, benutzt als kalte Elektronenquelle;
- die Figur 3 zeigt schematisch einen Emitter einer kalten Elektronenquelle mit Siliciumkathoden.;
- die Figur 4 zeigt schematisch einen Schnitt eines erfindungsgemäßen Lasers;
- die Figur 5 zeigt schematisch und explodiert eine erfindungsgemäße Einschließung unter Vakuum;
- die Figur 6 zeigt schematisch eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Lasers;
- die Figur 7 zeigt schematisch einen Schnitt einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Lasers; und
- die Figur 8 zeigt schematisch einen Schnitt einer anderen Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Lasers.
Erfindungsgemäß besitzt das aktive Material des Lasers eine Struktur, die bei einer Elektronenschwellenstromdichte von weniger als 10 A/cm² und einer Elektronenbeschleunigungsspannung von weniger als 10 kV einen Lasereffekt aufweist.
Eine multiple Heterostruktur von II-VI-Verbindungen (z.B. Halbleiterlegierungen CdZnTe) entspricht diesen Kriterien. Eine solche Struktur kann hergestellt werden durch die Molekularstrahlepitaxie. Es wird eine Abscheidung durchgeführt auf einem massiven Substrat aus CdZnTe- oder GaAs-Halbleiterlegierung, eine besondere Kristallorientierung aufweisend, z.B. (100). Die Oberfläche des Substrats beträgt ungefähr 1 cm².
Sobald die Heterostrukturabscheidung ausgeführt ist, wird das Substrat dünner gemacht und auf eine zwischen 50 und 200 µm enthaltene Dicke gebracht.
Man stellt anschließend die "Zündhölzchen" her, d.h. rechteckige Halbleiterkristalle, von denen zwei parallele Seiten als Spiegel dienen, um den Laserresonator des Typs Fabry-Perot zu bilden. Diese "Zündhölzer" erhält man z.B. durch Spalten der Spiegelflächen und Schneiden des heteroepitaxierten, auf eine nachgiebige Metallfolie geklebten Substrats mit der Säge.
Ein "Zündholz" hat eine Länge enthalten zwischen 200 und 2000 µm (was dem Abstand zwischen zwei Spaltebenen entspricht) und eine zwischen 50 und 2000 µm enthaltene Breite (Abstand zwischen zwei Sägeschnittlinien).
Die Spiegel des Laserresonators sind die Spaltflächen. Auf diesen letzteren kann man eventuell eine oder mehrere optische Dünnschichten abscheiden (aus Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2; oder jedes andere geeignete Material), um die Reflektierfähigkeit zu erhöhen und eventuell, damit einer der beiden Spiegel einen Reflexionskoeffizienten von annähernd 100% besitzt.
Die Figuren 1A und 1B zeigen die Dünnschichten-Heterostruktur des Halbleiters 10 und die Gap-Energie EG (verbotene Energiezone zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband der betreffenden Legierung) jeder Zone in Abhängigkeit von der Tiefe P. Der Ursprung (origine) der Tiefe P wird in der Mitte der aktiven Zone des Halbleiters gewählt.
In dem dargestellten Beispiel umfaßt der Halbleiter 10, Aktivmaterial des Lasers:
- eine Elektronenerregungszone 12;
- eine aktive Träger-Einschließungszone 16;
- eine optische Einschließungszone, gebildet durch 14, 16 und 18;
- eine Pufferschichtzone 20;
- das Substrat 22.
Die erste Zone 12 der Erregung reicht von der Oberfläche bis zu einer Kote -w/2; ihre Dicke beträgt zwischen 0,05 und 2 µm. In dieser Zone 12 entspricht die Zusammensetzung des Halbleiters der Formel Cdz Znl-zte, wo z variiert von zs (an der Oberfläche) bis zw/2 (mit der Kote -w/2). Beispielsweise können zs und zw/2 jeweils gleich 0 und 0,1 sein. In dieser Zone 12 weist das Gap an der Oberfläche einen großen Wert auf und nimmt z.B. linear ab. Sie weist einen abnehmenden Gap- Gradienten auf.
Es ist in dieser Zone 12, wo durch das Elektronenbombardement die Erzeugung der Elektron-Loch-Paare stattfindet. Sie ermöglicht, die nahe der Oberfläche erzeugten Träger zu sammeln und sie wirksam in Richtung der aktiven Zone 16 wandern zu lassen.
Die zweite Zone 14 ist begrenzt durch die Koten -w/2 und -d/2; die Dicke dieser Zone beträgt z.B. von 0,05 bis 0,3 µm. In dieser Zone 14 entspricht die Zusammensetzung des Halbleiters der Formel CdyZnl-yte, wo y variiert von zw/2 bis yd/2. Beispielsweise kann yd/2 zwischen 0,2 und 0,4 liegen. Die Zone 14 weist einen abnehmenden Gap-Gradienten auf. Die Abnahme kann abrupt sein; die Zusammensetzung kann abrupt von zw/2 zu yd/2 mit der Kote -w/2 übergehen und konstant bleiben oder, im Gegenteil, langsam abnehmen, wie dies z.B. in Figur 1 der Fall ist.
Die aktive Zone 16 weist ein kleines Gap auf für die Einschließung der Träger und für die Erzeugung des Laserlichts. Diese Zone 16 erstreckt sich zwischen -d/2 und d/2 und hat z.B. eine Dicke zwischen 0,002 und 0,2 µm. Die Halbleiter- Zusammensetzung in dieser Zone entspricht der Formel CdxZnl-xte mit x konstant und z.B. zwischen 0,5 und 1.
Die aktive Zone 16 kann gebildet werden durch einen einfachen Topf, wie dies der Fall der Figur 1 ist, oder einen Quantentopf oder einen Multiquantentopf oder ein Übergitter oder eine Kombination dieser Strukturen.
die Zone 18, symetrisch zur Zone 14, erstreckt sich von d/2 bis w/2 und weist z.B. eine Dicke zwischen 0,05 und 0,3 µm auf. Die Zusammensetzung des Halbleiters in dieser Zone entspricht der Formel CdyZnl-yte, wo y variiert zwischen den Werten yd/2 und zw/2. Die Zone 18 weist folglich einen Gap-Gradienten auf, der symetrisch zum Gap der Zone 14 zunimmt. Diese Zunahme kann abrupt sein oder langsam, wie dies in Figur 1 der Fall ist. Die optische Einschließungszone des Laserlichts wird gebildet durch die Gesamtheit der Zonen 14, 16 und 18 und hat eine Gesamtbreite W zwischen z.B. 0,1 und 0,6 µm.
Die Pufferzone 20 mit einer z.B. zwischen 0,1 und 3 µm enthaltenen Dicke wird auf dem Substrat 22 hergestellt. Diese Zone ermöglicht, den Gitterkonstantenparameter dem des Substrats anzupassen und die Fehler- bzw. Störstellendichte zu verringern. Sie ermöglicht ebenfalls, das Licht einzuschließen in der optische Einschließungszone. Dies kann eine einfache Schicht sein, eine Vielschichtenstruktur oder auch eine Kombination dieser Strukturen. Bei der dargestellten Ausführung entspricht die Zusammensetzung des Halbleiters im Innern der Pufferzone CdZnTe. Sie weist ein größeres Gap auf als das der optischen Einschließungszone. Das Substrat 22 kann z.B. CdZnTe oder GaAs sein.
Mit den oben erwähnten Zahlenangaben emittiert die entsprechend erregte Heterostruktur einen Laserstrahl, zentriert auf eine Wellenlänge zwischen 0,55 und 0,75 µm.
Die Figur 1B stellt den Resonator des Typs Fabry-Perot dar. Man sieht eine mittels Schnitt hergestellte Seitenfläche FD und eine mittels Spaltung hergestellte Fläche M, die dem Resonator als Spiegel dient.
Die Struktur des in Figur 1B beispielhaft dargestellten Resonators ist geeignet für einen Verstärkungsführungstyp (guidage par le gain). Andere bekannte Strukturen des Indexführungstyps (guidage par l'indice) können auch benutzt werden.
Erfindungsgemäß wird der Halbleiter 10 durch ein Elektronenbombardement gepumpt, das erzeugt wird von einer kalten Elektronenquelle 23, z.B. durch Gitter, d.h. ein Mosaik oder eine Matrix oder eine Mosaikmatrix von Mikrospitzenkathoden mit mit kalter Feldeffekt-Elektronenemission. Man findet eine Beschreibung eines solchen Gitters und von Herstellungsbeispielen in den französichen Patentanmeldungen Nr. 86 01 024 und 87 15 432.
Mit Bezug auf die Figur 2 sei kurz an die Struktur eines Mikrospitzen-Kathodenmosaiks und seine Charakteristika erinnert.
Das Mosaik wird gebildet durch eine leitfähige Schicht 24, abgeschieden auf einem Substrat 26, das isolierend sein kann, z.B. aus Glas, oder halbleitend, z.B. aus Silicium, mit einer zwischen 0,2 und 0,5 mm enthaltenen Dicke. Diese leitfähige Schicht ist versehen mit leitfähigen Mikrospitzen 28.
Die Mikrospitzen haben einen Basisdurchmesser von ungefähr 1,5 µm und sind um 3 oder 10 µm beabstandet; es gibt somit zwischen 10 000 und 100 000 Mikrospitzen pro mm². Das Ganze ist bedeckt von einer isolierenden Schicht 30, versehen mit Öffnungen, durch die die Mikrospitzen nach außen zeigen. Die Dicke der isolierenden Schicht 30 ist in der Größenordnung von 1 µm.
Die isolierende Schicht 30 ist bedeckt durch eine leitfähige Schicht, versehen mit den Mikrospitzen 28 gegenüberstehenden Öffnungen. Die Öffnungen besitzen einen Durchmeser von ungefähr 1,5 µm. Diese leitfähige Schicht bildet das Extraktionsgitter.
Beim Anlegen eines adäquaten Potentials an die leitfähigen Schichten 24 und 32 emittieren die Mikrospitzen 28 Elektronen durch Feldeffekt.
Die Figur 2B zeigt eine Matrix-Variante des Mikrospitzengitters, die man Mikrospitzenmatrix nennt. In dieser Struktur sind die leitfähigen Schichten 24 und 32 zu von einander isolierten Spalten und Zeilen angeordnet. An den Kreuzungen jeder Zeile 32 und jeder Spalte 24 kann es eine oder mehrere Mikrospitzen geben.
Beim Anlegen von adäquaten Potentialen an die Spaltenleiter 24 und die Zeilenleiter 32 emittieren die an der Kreuzung einer Spalte mit einer Zeile befindlichen, auf diese Potentiale gebrachten Mikrospitzen Elektronen. So kann man durch selektives Anlegen dieser Potentiale an die Zeilen und die Spalten die Zone der Elektronenemissions wählen.
Die emittierte Elektronendichte ist abhängig von den Werten der angelegten Potentiale. Die Stromdichte kann von 1 bis 10mA/mm² gehen. Der ausgesandte Strom ist z.B. enthalten zwischen 0,1 und 5 mA. Der Gesamtstrom hängt einerseits ab von den angelegten Potentialen und andrerseits von der Anzahl und Dichte der Mikrospitzen sowie der Fläche des Mikrospitzengitters.
Das Gitter weist z.B. eine rechteckige Fläche zwischen 0,1 und 0,5 mm² auf.
Die kalte Elektronenquelle 23 kann auch gebildet werden durch ein Gitter aus Siliciumkathodenemittern. Die Figur 3 zeigt schematisch im Schnitt einen solchen Emitter. Man findet eine vollständige Beschreibung solcher Emitter z.B. in dem Artikel von G.G.P. Van Gorkom und M. Moeberechts, Philips Technical Review, Bd. 43, Nr. 3, 5. 49 bis 57 (1987).
Auf einem Substrat 25 aus Si des Typs p&spplus; und der Dicke 400 µm ruht eine epitaxierte Schicht 27 des Typs p mit einer Dicke von 6 µm. Für die elektrischen Kontakte wird Phosphor diffundiert, um eine Schicht 29 des Typs n&spplus; mit einer Dicke von 3 µm zu bilden. Die zylindrische aktive Zone 31 des Typs p&spplus; mit einem Durchmesser d von weniger als 10 µm wird durch eine Implantation von Bor erzeugt. Seine Konzentration beträgt typisch 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³. In dieser Zone 31 wird durch Arsenid- oder Antimoniumimplantation eine sehr dünne n&spplus;&spplus;-Schicht 33 mit einer Dicke von ungefähr 10µm erzeugt. Diese n&spplus;&spplus;-Schicht ist sehr dotiert, typisch 4 x 10 ¹&sup9;cm&supmin;³. Die Emissionszone, dem P-N-Übergang an der Grenzfläche der mit 31 und 33 bezeichneten Zonen entsprechend, hat eine zylindrische Symetrie und einen Durchmesser kleiner als 10µm.
Das Ganze realisiert zwei Dioden mit P-N-Übergang, jeweils gebildet durch die parallelgeschalteten, mit 27, 29 und 31, 33 bezeichneten Zonen.
Ein Isolator 35, z.B. aus CiO&sub2; mit einer Dicke von 1µm, der ein zylindrisches Klötzchen bildet, auf dem eine leitfähige Schicht 39 z.B. aus Alumiuium mit einer Dicke von 0,5µm ruht, ermöglicht, die elektrischen Felder abzuschirmen, die Aufladung des Isolators zu begrenzen und eventuell in einem optoelektronischen System als Elektrode zu dienen.
Es wird nun kurz der Betriebsmodus einer solchen Kathode beschrieben.
Man spannt den P-N-Übergang mit Hilfe einer Spannung Vd umgekehrt vor. Es entsteht ein sehr starkes elektrisches Feld in der Größenordnung von 10&sup6;V/cm. Dieses starke Feld in der Entleerungszone der Diode, realisiert durch den p&spplus;/p&spplus;&spplus;-Übergang der Zonen 31, 33, beschleunigt die Elektronen der p&spplus;-Zone 31 in Richungen n&spplus;&spplus;-Zone 33. Diese beschleunigten "heißen" Elektronen erzeugen einen "Lawineneffekt", indem sie durch Kollision mit den Valenzelektronen weitere Elektron-Loch-Paare bilden. Ein Teil der Elektronen (ungefähr 1,5%), von der n&spplus;&spplus;-Seite 33 kommend, haben eine höhere kinetische Energie als die Austrittsarbeit und werden emittiert. Vd liegt typisch zwischen 6 und 9V. Der Strom der Diode beträgt einige mA. Die Stromdichte und der Elektronenemissionsstrom für einen Durchmesser von 1µm (durch die Schichten 31, 33 realisierter p&spplus;/p&spplus;&spplus;-Übergang) betragen jeweils 1 500A/cm² und 10 µA. Generell wird zur Reduzierung der Austrittsarbeit der Elektronen auf der Oberfläche eine einatomige Cäsiumschicht abgeschieden. Für Durchmesser zwischen 1 und 6 µm der aktiven Zonen 31, 33 variiert der Emissionsstrom zwischen 10µA und 60µA.
Die Herstellungsverfahren nutzen die Mikroelektronik- Technologie und ermöglichen, Chips herzustellen, die mehrere ein Gitter bildende Kathoden umfassen.
Mit Bezug auf die Figuren 4 und 5 wird nun ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lasers beschrieben.
Der Halbleiter 10, zugeschnitten und behandelt wie vorhergehend beschrieben, wird mit einem bestimmten Abstand, z. B. zwischen 1 und 10 mm, der kalten Elektronenquelle 23 gegenüber positioniert, z.B. einem Mikrospitzenkathodengitter. In diesem Beispiel erfolgt das Pumpen traversal und der Halbleiter 10 sendet durch eine seiner zur Ebene des die Figur tragenden Blattes parallelen Seiten einen Laserstrahl aus.
Die durch dem Halbleiter 10 und die Pumpvorrichtung 23 gebildete Anordnung wird in einer Zelle 34 unter Sekundärvakuum gehalten. Diese Zelle 32 besteht aus einem Mikrorohr 36 mit z.B. rechteckigen Flächen, auf zwei gegenüberliegenden Seiten geschlossenen durch zwei Platten aus isolierendem Material 26, 38, z.B. aus Glas.
Die Zelle 34 besitzt wenigstens ein für die Wellenlänge des Laserstrahls durchlässiges Fenster. Bei der vorliegenden Ausführung ist das Mikrorohr 36 aus Glas von optischer Qualität und spielt folglich die Rolle des Fensters. Die Platten 26, 38 sind mit dem Mikrorohr 36 verschweißt durch Schweißungen 37 z.B. aus schmelzbarem Glas dank einer lokalen Erhitzung durch Laser oder eine andere Erhitzung.
Das Gitter 23 wird z.B. direkt auf einer Platte 26 hergestellt. Wie man in Figur 5 sehen kann, ermöglichen Leiterbahnen, z.B. aus Kupfer, die Leiter des Gitters 23 elektrisch vorzuspannen. Eine zusätzliche Leiterbahn 42 der geeigneten Geometrie ermöglicht die Befestigung und Vorspannung der Fokussiereinrichtungen 44, 46.
In Figur 4 sieht man, daß die Platte 26 über das Mikrorohr 36 hinausragt und somit einen elektrischen Anschluß der Leiterbahnen 40, 42 ermöglicht.
Die Fokussiereinrichtungen werden gebildet durch zwei leitfähige Schirme 44, 46 z.B. aus Kupfer, beiderseits des Gitters 23 auf die Leiterbahn 42 gelötet.
In Figur 5 sieht man, daß eine Leiterbahn 48, z.B. aus Kupfer, auf die andere Platte 38 aufgebracht ist. Diese Leiterbahn 48 ermöglicht das Anlöten einer Elektrode 50, z.B. aus Kupfer. Diese Elektrode 50 hält den Halbleiter 10 in einem bestimmten Abstand von dem Gitter 23, diesem gegenüberstehend.
Die Elektrode 50 weist eine Geometrie auf, die sich eignet für die Fokussierung von Linien des vom Gitter 23 stammenden elektrischen Feldes. In dem in Figur 4 dargestellten Beispiel hat die Elektrode 50 die Form eines Konus; das Substrat des Halbleiters 10 wird z.B. mit Indium auf die Spitze dieses Konus geklebt; die epitaxierten Schichten stehen folglich dem Gitter 23 gegenüber. Die Elektrode 50 kann auch die Form einer Pyramide haben oder jede andere Form, die die Fokussierung der Feldlinien ermöglicht.
Die Elektrode 50 dient auch der Abführung der in dem Halbleiter 10 während des Elektronenbombardements aufgespeicherten Wärme.
Die Platte 38 ragt über das Mikrorohr 36 hinaus, was einen elektrischen Anschluß auf der Leiterbahn 48 ermöglicht.
Die verschiedenen Elemente werden unter Sekundärvakuum zusammengesetzt. Das Ganze wird ofengetrocknet (unter Vakuum) bei einer zwischen 150 und 200ºC enthaltenen Temperatur. Eventuell wird die mit dem Gitter 23 und den Schirmen 44, 46 versehene Platte 26 separat mit einer höheren Temperatur ofengetrocknet.
Die Platten 26 und 38 werden nach einer optischen Methode in Position zueinander gebracht.
Der Laser umfaßt in diesem Ausführungsbeispiel eine Kühleinrichtung 52 mit einem Kupferradiator 54, einerseits in Kontakt mit der Außenseite der Platte 38 und andrerseits in Kontakt mit einer thermoelektrischen Miniaturkühleinrichtung mit Peltiereffekt. Die Temperatur im Innern der Zelle 34 kann geregelt aber auch gesteuert werden. Nun ist bekannt, daß die Laseremissionswellenlänge abhängt von der Temperatur. Man kann also die Wellenlänge etwas variieren oder stabilsieren, indem man die Temperatur der Zelle 34 oder des Halbleiters 10 variiert oder stabilisiert. Die Kühlung ermöglicht ebenfalls, den Wärmeüberschuß abzuführen, der durch die Elektronenerregung entstehen kann.
Die Figur 6 zeigt schematisch eine Teilansicht der Vorrichtung der Figur 4. Die Fokussierungsschirme 44, 46 sind beiderseits des Gitters 23 und des Halbleiters 10 angebracht. Ihre Geometrie eignet sich für die Fokussuierung der Elektronen auf einen Streifen 58 der Oberfläche des Halbleiters 10, wenn sie auf ein ädaquates Potential gebracht worden sind. Dies ermöglicht, die Breite des Erregungsstreifens zu steuern und folglich die Fläche und auch die Dichte des Elektronenerregerstroms zu steuern; diese Fokussierungssteuerung ermöglicht also, ausreichend hohe Stromdichten zu erhalten, über der Laserstrahl-Erzeugungsschwelle, und dabei schwache Ströme und eine geringe Energiezuführung beizubehalten.
Dies ermöglicht ebenfalls, die Breite des Emissionsbandes des Lichtbündels zu steuern und folglich die geometrischen Eigenschaften dieses letzteren.
Bei der dargestellten Ausführung sind diese Schirme 44, 46 trapezförmig.
Es wird nun ein Beispiel von Zahlenwerten für den Betrieb eines Lasers der in Figur 4 dargestellten Art gegeben.
die Mikrospitzen werden an Masse gelegt. Die Gitter 32 werden zwischen 0 und 150V vorgespannt Das Gitterpotential steuert den Elektronenstrom. Die Emission der Elektronen wird verursacht durch ein elektrisches Feld von ungefähr 10&sup7;V/cm in Höhe der Mikrospitzen.
Die Schirme 44, 46 sind zwischen -500 und +500V vorgespannt. Der Halbleiter ist vorgespannt mit einem positiven Potentialwert, enthalten zwischen 3 und 10 kV. Die durch die Potentialdifferenz zwischen den Gittern 32 und dem Halbleiter 10 erzeugten Feldlinien konvergieren die durch die Mikrospitzen emittierten Elektronen auf eine rechteckige Fläche des Halbleiters 10. Der so definierte Laserresonator weist eine zwischen 200 und 500 µm enthaltene Länge auf (Länge des "Zündholzes" der Halbleiterlegierung) und eine zwischen 10 und 300 µm enthaltene Breite (mit Fokussierung durch die Schirme 44, 46). Diese Breite hängt ab von der Fokussierung des Strahls, die abhängt von der Form der Schirme 44, 46 und der angelegten Potentiale. In diesem Beispiel ist die Führungsstruktur von der Art der Verstärkungsführung, d.h. daß das Laserlicht eingeschlossen ist in die durch den Erregerstreifen 58 definierte Zone.
Die auf der Oberfläche des Halbleiters 10 eintreffenden Elektronen dringen wenig in die Oberflächenschicht ein (weniger als 1µm). Sie erzeugen Elektron-Loch-Paare mit einem Wirkungsgrad von ca. 30%. Der Gap-Gradient (Zonen 12 und 14, Fig. 1) läßt die Träger in Richtung aktive Zone wandern (Referenz 16, Fig. 1), wo sie eingeschlossen werden. Die Rekombination der Träger erzeugt ein Licht, dessen Wellenlänge abhängt von den Charakteristika der Legierungen und der die aktive Zone bildenden Struktur.
Den Lasereffekt erhält man für eine Stromdichte-Schwelle von unter 10A/cm². Der Laserstrahl wird durch eine Seite des Mikrorohrs 36 geliefert.
Die durch das Elektronenbombardement zugeführte Leistung ist niedrieger als ungefähr 10kW/cm², wovon ein großer Teil sich in Wärme verwandelt. Diese wird nach außen abgeführt durch die Elektrode 50.
Die Figur 7 stellt schematisch einen Schnitt eines erfindungsgemäßen Lasers dar, bei dem das Pumpen jedoch längsgerichtet ist. Die Komponenten, die mit denen der Figur 4 identisch sind, tragen dieselben Referenzen.
Bei dieser Ausführung ist die Elektrode 60, die den Halbleiter 10 trägt, durchdrungen von einem Tunnel 64 (sie kann auch hohl sein), der auf der Platte 62 mündet, die das Mikrorohr 36 verschließt. Die Leiterbahn 48 weist eine solche Geometrie auf, daß sie den Ausgang des Tunnels 64 nicht verschließt.
Die Platte 62 ist aus isolierendem und für die wellenlänge des Laserstrahls durchlässigem Material. Sie muß optische Qualität aufweisen.
Bei dieser Ausführung dienen die gegenüberstehenden Flächen des Halbleiter 10 als Spiegel, den Laserresonator bildend. Die Spiegel werden erzeugt mittels Abscheidungen von dünnen optischen Schichten.
Die Figur 8 zeigt schematisch im Schnitt eine weitere erfindungsgemäße Laserausführung. Die Komponenten, die mit denen der Figur 4 identisch sind, tragen dieselben Referenzen.
Bei dieser Ausführung umfaßt der Laser drei Halbleiter 10a, 10b, 10c mit identischen oder unterschiedlichen Strukturen, fähig, Laserstrahlen mit identischen oder unterschiedlichen Wellenlängen auszustrahlen. Diese drei Halbleiter 10a, 10b, 10c befinden sich jeweils auf der Spitze von drei Elektroden 50a, 50b, 50c, wo sie mit einem bestimmten Abstand und der Mikrospitzenkathoden-Matrix 23 gegenüberstehend befestigt sind.
Dank der selektiven Adressierungsmöglichkeit der Zeilen und der Spalten einer Martrix 23 aus Mikrospitzenemissionskathoden kann man den einen oder den anderen der Halbleiter 10a bis 10c oder alle auf einmal erregen.
Ein erfindungsgemäßer Laser nimmt nur ein kleines Volumen in der Größenordnung von 1cm³ ein. Er ist kompakt und braucht wenig Strom. Die Benutzung eines Mikrospitzen-Kathodengitters als Pumpvorrichtung ermöglicht kontinuierliche, gepulste oder modulierte Anwendungen. Dazu genügt es, die Leiter des Gitters entsprechend zu steuern.
Die Erfindung ist keineswegs beschränkt auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele; sie schließt alle Varianten davon ein. Beispielsweise kann man dem Laser ein Schutzgehäuse mit einem Austrittsfenster hinzufügen. Man kann auch andere kalte Elektronenqellen und andere Verfahren und Aufbaumaterialien der Laservorrichtung verwenden und dabei die Prinzipien und Vorzüge der Erfindung beibehalten. Der Halbleiter kann ebenfalls mit anderen Legierungen, anderen Heterostrukturen hergestellt werden, aus massivem Material oder aus Dünnschichten. Der Resonator kann vom Fabry-Perot- oder vom Verteilungstyp sein; die Führungsstrukur kann vom Verstärkungs oder vom Indextyp sein. Die Fokussierungselektroden und ihre Anzahl können modifiziert werden. Die Vorrichtung kann kontinuierlich, gepulst oder moduliert arbeiten, zwischen 77 und 300 K oder um die Umgebungstemperatur herum.

Claims

1. Halbleiterlaser, einen Halbleiter (10) und eine Elektronenbombardement-Pumpvorrichtung (23) umfassend, wobei der Halbleiter (10) eine Resonanzstruktur ist, die einen Lasereffekt aufweist für eine elektronische Schwellenstromdichte von weniger als 10 A/cm² und für eine Beschleunigungsspannung der Elektronen unter 30 kV,

dadurch gekennzeichnet:

a) daß der Halbleiter (10) eine Heterostruktur aufweist, die der nachfolgend erstellten Reihenfolge entsprechend wenigstens umfaßt:

a) eine Elektronenerregungszone (12);

b) eine erste Einschließungszone (14);

c) eine aktive Zone (16);

d) eine zweite Einschließungszone (18), wobei die aktive Zone (16) zwischen der ersten und der zweiten Einschließungszone (14, 18) angeordnet ist;

b) daß die Elektronenbombardement-Pumpeinrichtung (23) eine kalte Elektronenquelle mit einem Volumen kleiner als 1 cm³ ist.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenerregungszone (12) einen abnehmenden Band- bzw. Energielückengradienten aufweist.

3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschließungszonen (14, 18) einen Indexgradienten aufweisen.

4. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Einrichtungen zum Fokussieren der von der kalten Elektronenquelle (23) stammenden Elektronen gemäß eines entsprechend der Länge der Resonanzstruktur ausgedehnten Streifens (58) umfaßt.

5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtungen gebildet werden durch zwei leitende Schirme (44, 46), beiderseits der kalten Elektronenquelle (23) und des Halbleiters (10) angeordnet und an zwei geeignete Potentiale gelegt.

6. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

- eine Zelle (34) unter Vakuum, versehen mit einem transparenten Fenster (36) für den Austritt eines Laserstrahls, eine erste Wand (26) dieser Zelle (34), die die kalte Elektronenquelle trägt,

- enthalten in dieser Zelle (34), befestigt an einer zweiten Wand (38) der Zelle (34), der ersten (26) gegenüberstehend, wenigstens eine Elektrode (50), fähig den Halbleiter (10) mit einem bestimmten Abstand von der kalten Elektronenquelle (23) und dieser gegenüberstehend festzuhalten.

7. Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (50) eine konische Form aufweist.

8. Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Kühlsystem (52) umfaßt.

9. Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Halbleiter (10a, 10b, 10c) umfaßt, getragen durch ebensoviele Elektroden (50a, 50b, 50c).

10. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die kalte Elektronenquelle eine Mikrospitzenquelle ist.

11. Laser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die kalte Mikrospitzenelektronenquelle (23) vom Typ mit Selektiv- Adressierungs-Matrix ist.