167697. lajstromszámú szabadalom • Félvezető lézer
3 167697 4 delkező réteg választja el. Ez a két réteg úgy van elhelyezve, hogy a külső réteg melletti réteg ahhoz képest ellentétes jellegű vezetőképességgel rendelkezik. Az ötrétegű kristályszerkezet alkalmazása a félvezető lézerhez, és a kristályrétegek adott elrendezése negatív ellenállástartománnyal rendelkező feszültség-áramkarakterisztikát eredményez. így a lézer tároló vagy kapcsolóelemként is alkalmazható, valamint egyszerűbb elektromos gerjesztő áramkörrel üzemeltethető. A találmányt a továbbiakban kiviteli példa és rajz alapján ismertetjük részletesen. A rajzon az 1. ábra a találmány szerinti félvezető lézer metszete, a 2. ábra a lézer feszültség-áram karakterisztikája, a 3: ábra a tápfeszültségre csatolt lézer. Az elektromosan gerjesztett félvezető lézerhez (1. ábra) GaAs-ot (galliumarzenid) és Alx Ga 1 „ x As-ot alkalmazunk. A félvezető kristály öt egykristályos rétegből áll. Az 1 és 2 rétegek AlXl 2 Ga 1 _ Xl 2 As szilárd oldatából képzett félvezető rétegek. Az 1 és a 2 rétegek megfelelő adalékokkal történő ötvözésével n illetve p típusú félvezetőt hozunk létre. A szilárd oldatban az alumínium részarányát meghatározó x12 értéke 0 és 0,5 között változik. Az n típusú 3 réteget AlX3 Gaj_ X3 As-ből állítjuk elő. Az x3 értéke 0,05 és 0,5 között változtatható. A p típusú 4 réteg AlX4 Ga 1 _ X4 As-ből van. Mivel a 4 réteg az aktív emittáló réteg, tiltott sávjának keskenyebbnek kell lenni, mint a 3 és 5 rétegek tiltott sávja. Az egyszerűség érdekében ezt a réteget a továbbiakban p0 -lal jelöljük. Az x4 értéke 0 és 0,37 között változhat. Az 5 réteg Al!C5 Ga 1 _ X5 As-ból áll. Az x 5 érték 0,05 és 0,5 között változhat. Az Xo, X* CS Xe értékek megválasztásánál be kell tartani az x3 = x 5 > x 4 összefüggést annak érdekében, hogy a 3 és az 5 rétegek tiltott sávja szélesebb legyen, mint a 4 rétegé. A leírt ötrétegű félvezető kristály tehát n-p-n-p0 -p + szerkezetű. A félvezető kristály külső 1 és 5 rétegei tehát ellentétes típusúak. Az egyik külső réteg — mégpedig az 5 réteg — a fényemittáló 4 réteg mellett helyezkedik el. A 4 réteget a másik külső 1 rétegtől az egymáshoz képest ellentétes típusú 2 és 3 rétegek választják el. A külső 1 réteg mellett levő 2 réteg a külső 1 réteghez képest ellentétes típusú félvezetőből van. Az 1 és 2, a 2 és 3, a 3 és 4, valamint a 4 és 5 rétegek a 6, 7, 8, illetve 9 átmeneteket képezik. A leírt félvezető kristályszerkezet egy technológiai ciklusban állítható elő. Az egykristályos 1, 2, 3, 4 és 5 rétegeket egykristályos galliumarzenid szubsztráton folyadék vagy gázfázisból végzett epitaxiális növesztéssel állítjuk elő. A szubsztrátot úgy választjuk ki, hogy az a felület, amelyen a rétegek növesztése történik [111], [111], vagy [100] orientációjú. A fénysugárnak a 4 rétegből történő kivezetésére és a fénysugár koherenciájának biztosítására optikai Fabry—Perot rezonátor szolgál. A rezonátor reflektáló felületeinek szerepét a félvezető kristály tükröző 10 és 11 felületei játsszák. Ezek a felületek a gerjesztett fény terjedési irányára merőlegesen a 4 réteg mentén helyezkednek el. A 10 és 11 felületeket a krisztallográfiai síkban fekvő kristályok alkotják. Ez a sík merőleges az egykristályos 1—5 rétegeket hordozó szubsztrát orientációs síkjára. Az 1 és 5 rétegeken bármelyik ismert eljárással létrehozhatjuk a csatlakozókat, melyek segítségével a kristály nyitó irányban előfeszíthető. (1. ábra) A továbbiakban a találmány szerinti félvezető lézer elvi működését ismertetjük. Amikor a félvezető lézer kristályszerkezetére nyitó irányú feszültséget kapcsolunk, akkor az emitteroldali 6, 5 8, és a 9 p-n átmenetek nyitnak. A középső 7 átmenet — a kollektorátmenet — zár. A feszültség meghatározott nagyságánál, a kapcsolófeszültségnél, a kisebbségi töltéshordozók injektálása a 2 és 3 bázisrétegekbe a 7 kollektorátmenet ellenállásának ugrásszerű csök-10 kenéséhez és az áram növekedéséhez vezet. Ez a folyamat lavinaszerűen megy végbe és a kollektorátmenetnek vezető állapotba történő átbillenésével ér véget. A kollektorátmenet tehát nyit, és egyetlen p-n átmenethez hasonlóan működik. A félvezető szerkezet tehát nagy 15 ellenállású állapotból kis ellenállású állapotba kapcsolódik át. Ez megfelel a feszültség-áram karakterisztika negatív ellenállású 11 szakaszának. (2. ábra) 1 kA/cm2 áramsűrűség fölött az emittáló 4 rétegben inverz töltéshordozó koncentráció lép fel, és a Fabry— 20 Perot rezonátor segítségével koherens fényemisszió keletkezik. A fény hullámhossza 300 K°-nál a félvezető 4 réteg tiltott zónájának szélességétől függ. A hullámhossz a látható vörös fény tartományától az infravörös sugárzás hullámhossz tartományáig változtatható, ha 25 x3 0 és 0,37 között változik. Az aktív 4 réteget határoló 8 és 9 átmenetek jelenléte elektronok és lyukak injektálását teszi lehetővé a 4 rétegbe, valamint az injektált töltéshordozók és a keletkező elektromágneses sugárzás lokalizálását. 30 Figyelembe kell venni, hogy a találmány szerinti félvezető lézernek az ismert félvezető lézerek előnyei — a kis küszöbáramsűrűség, jó hatásfok — mellett még egy fontos előnye van, mégpedig a feszültség-áram karakterisztikában a negatív ellenállású szakasz megléte, 35 valamint az, hogy a gerjesztő áramimpulzusok formálásánál a lézert aktív elemként használjuk. A 3. ábrán a találmány szerinti félvezető lézer kristályához csatlakozó egyszerű áramkör látható. Ebben az áramkörben a félvezető kristállyal párhuzamosan 40 RC tag van kapcsolva. Külső feszültség rákapcsolásakor a C kondenzátor az R ellenálláson át feltöltődik. Amikor a feszültség a C kondenzátoron egyenlő a félvezető lézer átkapcsolási feszültségével,, akkor a kristály ellenállása ugrásszerűen csökken. Ennek következtében 45 a C kondenzátor rövid idő alatt kisül a többrétegű kristályon át. Az ekkor keletkező áramimpulzus — amelynek paraméterei a C kondenzátor kapacitásától, az átkapcsolási feszültségtől és a többrétegű kristály bekapcsolt állapotban mutatott ellenállásától függenek — 50 koherens sugárzás előállítását idézi elő. Az n-p-n-p0 -p + szerkezet helyett p-n-p-n 0 -n + szerkezet is alkalmazható a lézerhez. A találmány szerinti lézer előállításához két félvezető anyag is alkalmazható, pl. indiumarzenid, indium-55 arzendid szilárd oldata -galliumarzenid, indiumfoszfid, indiumfoszfid-galliumfoszfid szilárd oldata. 60 Szabadalmi igénypont Elektromos gerjesztésű félvezető lézer, amely félvezető kristályból kialakított különböző vezetőképességű rétegeket tartalmaz, az egyik réteg optikai rezonátor-65 ban van elhelyezve és ezt a réteget két ellentétes típusú 2
