Brevet FR2013159A1 — publié le 19700327

Cette invention concerne les dispositif luminescents à l'état solide excités de l'extérieur, et elle concerne plus particulièrement un dispositif semiconducteur que l'on excite extérieurement par un faisceau de radiation et qui émet les radiations de recombinaison approximativement perpendiculaires 5 à la surface irradiée par le faisceau d'excitation. On peut exciter les lasers semiconducteurs, soit par injection de porteurs à travers une jonction p-n ou par excitation extérieure par utilisation d'un faisceau d'électrons ou d'un faisceau lumineux. Dans tous les lasers que l'on a réalisé jusqu'à présent, l'émission laser se produit dans une direction 10 approximativement parallèle à la couche active qui est une couche mince (1 à 10 microns d'épaisseur, dans la plupart des cas) excitée par les électrons ou les photons. L'émission laser dans une direction perpendiculaire à la couche active est inhibée car l'épaisseur du milieu d'amplification est petite en comparaison de l'épaisseur du milieu d'absorption qui lui est contigu. 15 II est souhaitable qu'un laser semiconducteur excité extérieurement ait une efficacité élevée, un seuil bas et des pertes faibles. Il est aussi souhaitable que l'émission laser se produise perpendiculairement à la couche active, puisque cela conduira à un faisceau étroit et rendra possible une sélection extérieure bi-dimensionnelle de la localisation du faisceau laser. 20 La structure décrite dans cette invention fournit un moyen de réduire l'aborption dans la couche inactive et par conséquent de faciliter l'émission laser dans une direction perpendiculaire à la couche active. Oe cette façon, on obtient une zâne excitée plus importante avec une réduction de la divergence " du faisceau de la lumière laser. 25 Un objet de cette invention est de fournir un dispositif luminescent à l'état solide excité de l'extérieur. Un autre objet de cette invention est de fournir un dispositif laser semi-conducteur à l'état solide excité de l'extérieur. Un autre objet de cette invention est de fournir un dispositif laser 30 semi-conducteur à l'état solide qu* l'on excite de l'extérieur par un faisceau d'électrons. Un autre objet de cette invention est de fournir un dispositif luminescent semiconducteur à l'état solide, excité extérieurement par un faisceau de radiation, qui émet des radiations de recombinaison approximativement perpendi-35 culaires à la surface irradiée par le faisceau de radiation. Un autre objet de cette invention est de fournir un dispositif semiconduc-\teur à l'état solide, que l'on excite extérieurement par un faisceau de radiation, qui émet des radiations de recombinaison approximativement perpendiculaire à la surface irradiée par le faisceau de radiation et qui comprend une 40 composition variable de matériau de la surface supérieure à la surface infé 08191 2 2013159 rieure qui augmente préférentiellement l'émission des radiations de recombinaison dans la direction notée. Un autre objet de cette invention est de fournir un élément semiconducteur à l'état solide convenable pour être utilisé comme élément actif d'un 5 dispositif luminescent excité de l'extérieur où l'élément comprend une composition variable entre deux surfaces approximativement parallèles de telle. sorte que lorsque la surface supérieure est irradiée par un faisceau de radiation d'excitation, l'élément émet une radiation de recombinaison perpendiculaire à la surface irradiée. 10 Un autre objet de cette invention est de fournir des radiations de re combinaison à partir d'un élément semiconducteur à l'état solide disposé dans le chemin d'un faisceau électronique et refroidi suffisamment de telle sorte que la radiation de recombinaison soit émise par l'élément avec une efficacité élevée dans une direction perpendicualire à la surface irradiée par le 15 faisceau électronique et où l'élément a une composition variable ds la surface supérieure à la surface inférieure. Un autre objet de cette invention est de fournir un dispositif lunimes-cent en accord avec les objets précédent où la composition variable est obtenue à l'aide de plusieurs couches de matériaux semiconducteurs. 20 Un autre objet de cette invention est de fournir un dispositif lumines cent d'après les objets précédent dans lequel il existe une composition variable de la surface supérieure à la surface inférieure d'un dispositif luminescent semiconducteur à l'état solide de telle sorte qu'une région active soit contigue à la surface irradiée par le faisceau de radiation d'excita-25 tion, et le reste de l'élément est utilisé à la fois comme support de substrat pour la région active et participe au maintien de l'émission de radiation de recombinaison de l'élément. Un autre objet de cette invention est de fournir les dispositifs et éléments précédent d'une telle façon que la radiation de recombinaison résultante 30 soit émise avec une efficacité élevée, un seuil bas, et des pertes faibles. L'invention fournit un dispositif luminescent semiconducteur que l'on excite soit par un faisceau électronique, soit par un faisceau de photons. Généralement, on fournit un élément semiconducteur à l'état solide avec une composition variable entre deux surfaces. Un faisceau de radiation incident 35 sur l'une des -surfaces amène l'émission d'une radiation de recombinaison dans une couche adjacente à la surface. La composition variable est telle que là largeur de la bande interdite augmente en allant de la surface supérieure à la surface inférieure et l'on établit des couches de réflexion convenables sur les surfaces supérieure et inférieure. 40 Particulièrement, un élément laser semiconducteur à l'état solide est 08191 3 2013159 formé de deux couches, dont la première est une couche mince placée près de la surface de bombardement et dont la seconde est une couche épaisse soutenant la couche active. La première couche a une largeur de bande interdite plus petite que la seconde couche qui prolonge la couche active dans laquelle la radiation de recombinaison est excitée par le faisceau incident. La couche active émet une radiation de recombinaison dont la longueur d'onde est supérieure à celle de la région d'absorption importante de la couche inactive, et il y a une réduction de la perte d'énergie dans la couche inactive. Dans une structure à couche, l'épaisseur de la première couche est égale à la profondeur de pénétration du faisceau d'excitation et à l'excitation électronique résultante et constitue donc la couche active. La seoonde couche est suffisamment épaisse pour fournir le support mécanique nécessaire et est d'une composition différente de la première couche pour réduire ou éliminer l'absorption de lumière émise dans la couche active. L'émission cohérente ou émission laser perpendiculaire à la surface est produite par l'introduction d'une contre réaction par des surfaces supérieure et inférieure réfléchissantes, l'une ou les deux pouvant contenir des revêtements pour augmenter leur réflectivité. De même, une ou les deux surfaces peuvent avoir des revêtements de réduction de réflexion; et la contre réaction nécessaire pour l'émission laser peut être obtenu avec des miroirs extérieurs. . Une structure donnée à titre d'exemple est formée de préférence par crois sance en solution de Ga^_ Al As de telle sorte que des quantités différentes de constituants soient introduites durant la croissance des couches différentes. La couche active peut être du GaAs et la couche inactive peut être du Ga. Al As avec x > x 0. De même les couches active et inactive peuvent être 1-x x Ga^Al As, mais la couche inactive a un x plus grand que la couche activee où x est inférieur à 0,4. De même, la couche active peut avoir la même composition de base que la couche inactive, mais contenir des,impuretés de dopage pour abaisser la largeur de la bande interdite, par exemple, par diffusion de zinc dans le GaAs n-. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, et qui représentent des modes de réalisation préférés de celle ci. La figure 1A est un diagramme schématique d'une réalisation de l'invention montrant un élément semiconducteur luminescent disposé dans un faisceau de radiation et où la radiation de recombinaison émise se propage dans la direction perpendiculaire à la surface de l'élément irradiée par le faisceau. La figure 1B est un schéma d'une autre réalisation de l'invention fonctionnant à haute énergie où la radiation est émise à partir de la même sur 69 08191 4 2013159 face de l'élément semiconducteur luminescent que celle qui reçoit le faisceau de radiation. La figure 2 est une vue en perspective d'un élément semiconducteur luminescent pour la pratique de cette invention, montrant la couche active formée 5 de plusieurs régions diffusées dans la masse de la région inactive de support. Les figures 3A, 3B, et 3C, sont des diagrammes montrant les structures de bande de cristaux semiconducteurs. La figure 3A correspond à un cristal intrinsèque, la figure 3B correspond à un cristal du type n, et la figure 3G correspond à un cristal du type p. 10 La figure 4 montre des graphiques illustrant le fait que la couche active d=l'élément semiconducteur luminescent a un spectre d'émission différent du spectre d'absorption de la couche inactive. Les figures 5A et 5B concernent une autre réalisation de cette invention; la figure 5A montre un élément semiconducteur luminescent avec deux couches 15 formant la couche active, et la figure 5B est une représentation graphique de la perte d'énergie du faisceau d'électrons incident en fonction de la distance de pénétration dans la surface. Les figures 6A et 6B concernent une autre réalisation de cette invention; la figure 6A comprend une couche active dont la composition varie de manière 20 continue et la figure 6B illustre la fraction molaire d'un constituant dans la couche active en fonction de la distance à la surface supérieure de la couche active. La figure 7 est un dessin montrant une vue en coupe d'un appareil utile pour la réalisation de la croissance par épitaxie en phase liquide d'un corps 25 semiconducteur pour la pratique de cette invention. La figure 8 est un graphique théorique illustrant le pourcentage d'AlAs présent dans une couche de Ga^^Al^As obtenue par croissance dans l'appareil de la figure 7 en fonction du taux ou de la vitesse de refroidissement. La figure 9 est une courbe théorique illustrant le pourcentage d'AlAs 30 présent dans une couche de Ga._ Al As que l'on fait croître dans l'appareil » -x x de la figure 7 en fonction de la distance dans la couche de l'interface de croissance initial pour deux taux différents de refroidissement. On décrit maintenant la nature et le mode d'opération d'une réalisation de cette invention en référence à la figure 1A qui est un diagramme schéma-35 tique montrant un générateur de faisceau électronique 10 fournissant un faisceau d'électrons 12 qui frappe un élément semiconducteur luminescent 14. Le générateur de faisceau électronique 10 est maintenu sur la chambre 11-1A par une partie de l'élément horizontal 11-2 qui est maintenue rigidement et de façon hermétique avec le corps principal de la chambre 11-1A par les pattes 40 et les vis 11-3 et 11-4. On évacue la chambre 11-lA à l'intérieur de laquelle 08191 5 2013159 SB trouve l'élément semiconducteur luminescent 14 par un tuyau 11-5 à l'aide d'une pompe à vide 11-6. Qn maintient l'élément luminescent 14 et on le refroidi par une plaque 11-7A qui comprend une ouverture 11-B par laquelle la radiation de recombinaison engendrée dans l'élément luminescent 14 est émise. 5 La plaque de refroidissement et de support 11-7A est maintenue par le châssis de la chambre 11-1A est prolongée jusqu'à un bain de refroidissement 11-9A contenu dans un réservoir 11-10. Le réfrigérant 11-9A, par exemple, l'azote liquide à 77°K., entre par un tube 11-11 et sort par un tube 11-12. La chambre 11-1A comprend une fenêtre transparente 11-13 par laquelle la radiation de 10 recombinaison 16A provenant de l'élément luminescent 14 se propage vers l'extérieur. L'élément luminescent 14 comprend une couche supérieure 18 et une couche inférieure 20. La surface 24 de la couche 18 reçoit le faisceau de radiation incident, 12 et la surface 22 de la couche de support inactive 20 reçoit la 15 radiation 16 qui va et vient entre les surfaces 22 et 24 alors que la radiation de recombinaison 16 augmente progressivement en intensité pour donner l'émission laser. Une surface réfléchissante 24A est déposée sur la surface 24, et une couche partiellement transparente 22A est déposée sur la surface 22 de la couche inactive 20. La radiation de recombinaison 16A qui est engen-20 drée dans la première couche 18 est transmise par la seconde couche 20 et sort par la surface 22 du corps 20. Le faisceau d'électrons 12 est obtenu par un canon à électrons 27, et l'on obtient la déflexion du faisceau d'électron 12 par les électrodes de commande X 28A et 28B et les électrodes de commande Y 30A et 30B auxquelles 25 sont reliés les câbles de commande 32 et 34, respectivement. L'unité de commande de faisceau 33 est reliée aux câbles x et y 32 et 34. En alimentant de façon correcte les câbles de commande 32 et 34, on amène la formation du faisceau d'électrons 12 et son incidence en des endroits sélectionnés de la surface 24 de la couche 18 du corps semiconducteur 14. 30 La figure 1B est une vue schématique d'une autre réalisation de cette invention, spécialement convenable pour un mode d'opération à puissance élevée. L'élément semiconducteur 14 est situé sur un élément à dissipation de chaleur 11-7B qui est en contact complet avec le revêtement réfléchissant 24B. Un bain de refroidissement 11-9B est en contact avec la surface inférieure de 35 l'élément à dissipation de chaleur 11-7B. De cette façon, en plaçant la source de radiation 10 suivant un angle par rapport à la surface de l'élément luminescent 14, on amène le faisceau de radiation 16A à sortir par la surface supérieure de l'élément luminescent 14. Pour la figure 1B, le revêtement 24B est totalement réfléchissant et le revêtement de surface 22B est partiellement 40 réfléchissant pour permettre la sortie du faisceau stimulé 16 et de la radia 69 08191 6 2013159 tion émise 16A. La figure 2 est une vue en perspective schématique d'un corps semiconducteur 14 avec une couche active spéciale 18 comprenant des parties diffusées 18-1, 18-2, 16-3, et 18-4, etc.., qui sont formées dans la couche inactive 5 20 par diffusion d'une impureté de dopage du type p, par exemple, du zinc. L'obtention du dessin de diffusion est obtenu par les techniques conventionnelles de diffusion et de masque. De façon plus détaillée, dans le cas d'excitation par faisceau d'électrons, la source de pompage est un faisceau d'électrons produit par un canon 10 à électrons 10, comme on le montre dans la figure 1A. Les électrons tombent sur l'élément luminescent 14 et produisent des paires électron-trou dans une couche appelée la couche active près de la surface supérieure 24 de l'élément. Le matériau de la couche supérieure 18 de l'élément 14 a une épaisseur comparable à l'épaisseur de la couche active et a une composition telle que la lon-15 gueur d'onde de la lumière émise 16 ne soit pas absorbée de façon importante dans la seconde couche ou substrat 20. La lumière qui est produite dans la couche active 18 par la recombinaison des électrons et des trous forme un oscillateur laser (ensuite appelé laser] si l'excitation est suffisamment forte pour donner une amplification de la lumière dans la couche active 18 20 et si l'on fournit une contre réaction appropriée. Une façon de fournir cette contre réaction consiste à prévoir des surfaces de réflexion sur le front et sur l'arrière de l'échantillon, montrés en 22 et 24 dans la figure 1, Le mode d'émission laser habituel qui est parallèle à la couche active est inhibé par un traitement approprié de l'élément 14 pour réduire la contre réac-25 tion dans cette direction. On peut par exemple effectuer cela en rendant les côtés de l'élément 14 rugueux ou non parallèles, ou par addition de revêtements non réfléchissants 26 et 28. Une autre technique pour la réduction de la contre réaction parallèle à la couche active est montrée dans la figure 2 dans laquelle des îlots du 30 matériau actif sont séparées par des régions ayant la même compositions que le substrat. Dans ce cas, le faisceau d'excitation doit être incident principalement sur l'un de ces îlots, par exemple, 18-1, 18-2, 18-3, et 18-4, et non sur le matériau d'interposition, pour que l'émission laser se produise. Pour fonctionner avec succès avec un générateur de faisceau électroni-35 que des pressions de l'ordre de 10 torr ou moins, sont nécessaires. On obtient cela avec le dispositif à vide 11-6 adapté à la chambre à vide 11-1 par le trou d'aspiration 11-5. Le canon à électrons 10 peut avoir son propre système de vide, si nécessaire. Selon le niveau de puissance moyen souhaité, la dissipation de chaleur 40 appropriée doit être fournie. Si une température d'ambiance autre que la 69 08191 7 2013159 température de la pièce doit être utilisée, la commande de température appropriée est fournie par un bain réfrigérant relié à l'élément de dissipation de chaleur 11-7A suivant une façon conventionnelle. En particulier, le bain réfrigérant peut être relié à une alimentation d'azote liquide pour fonction-5 ner à 77°K. Pour des niveaux de puissance moyenne, bas, on obtient une dissipation de chaleur adéquate en gardant l'échantillon en bon contact thermique avec le support en forme d'anneau montré en 11-7A dans la figure 1A. Pour des niveaux de puissance moyenne supérieurs, le dispositif de la figure 1B est préférable. Là un élément à dissipation de chaleur massif 11-7B est en 10 bon contact thermique avec le dos de l'élément 14. On amène le faisceau d'électrons 12 suivant un certain angle sur la surface de la couche 18, et la lumière est émise du sommet de l'élément 14. On peut faire sortir la lumière, soit par une porte de sortie, soit par utilisation de un ou plusieurs miroirs et une porte de sortie suivant une façon conventionnelle, non montrée. 15 Les couches de réflexion 22A et 24B des figures 1A et 1B sont choisies de façon appropriée selon les circonstances particulières de fonctionnement. Si l'on utilise la configuration de la figure 1A, la couche 24A est une couche d'augmentation de réflexion, alors que la couche 22A peut ne pas être une couche d'amplification de réflexion. En particulier, on peut supprimer la 20 couche 22A complètement et utiliser la surface des matériaux sans couche additionnelle, Pour la configuration de la figure 1B, la couche 24B entre la seconde couche 20 de l'échantillon et l'élément à dissipation de chaleur 11-7B doit être une couche de réflexion totale en bon contact thermique avec l'élément luminescent 14 et l'élément à dissipation de chaleur 11-7B. La couche 25 22B sur la surface supérieure de 1'échantillon peut être soit à amplification, ou à suppression de réflexion, suivant le dispositif optique utilisé; la surface frontale peut aussi être utilisée sans aucune couche additionnelle. La nature et l'action des couches pour l'obtention des modifications de réflexion souhaitée est bien connue dans l'art des lasers. 30 La description physique du fonctionnement de cette invention sera faite en référence aux diagrammes des figures 3A, 3B, 3C, et 4. La figure 3A montre un cristal semiconducteur 100 3A avec sa structure de bandes 102 établie à l'intérieur de ses limites dans des buts d'illustration. L'axe vertical représente l'énergie E des électrons. La structure de bande comprend une bande 35 de valence 104, une bande interdite 106, et une bande de conduction 108. Le niveau de Fermi est localisé à l'intérieur de la bande interdite. La valeur de l'intervalle d'énergie de la bande interdite ou largeur de la bande interdite est indiquée par une flèche double W. Dans la figure 3B le cristal semiconducteur est dopé de façon importante avec des impuretés du type donneur 40 pour donner un semiconducteur de type n. La structure de bande est dessinée 08191 8 2013159 après l'illustration de la figure 3A. En conséquence de la présence d'éléments donneurs dans le réseau cristallin du semiconducteur, des niveaux donneurs se trouvent près du bord de la bande de conduction; et le niveau de Fermi est élevé vers le bord de la bande de conduction. Dans la figure 3C on illus-5 tre les effets de la présence d'un dopage important avec des impuretés du type accepteur dans le réseau cristallin du semiconducteur, pour donner un semiconducteur du type p. En plus de la structure de bande 102 de la figure 3A, on trouve des niveaux accepteurs 112 près du bord de la bande de valence. Le niveau de Fermi s'est rapproché du bord de la bande de valence. 10 La largeur de la bande interdite d'un semiconducteur extrinsèque mesurée par la position du bord d'absorption 122 ou par le pic d'émission spontanée 120 de la figure 4, peut être plus large ou plus étroite que la largeur de la bande interdite du même semiconducteur intrinsèque. Par exemple, dans le cas d'un semiconducteur III-V, les irtipuretés acceptrices (Jusqu'à environ 19 3 15 10 par cm ) on tendance à diminuer la largeur de la bande interdite, spécialement si elles sont compensées par des impuretés donatrices et des impuretés donatrices non compensées ont tendance à augmenter la largeur de la bande interdite. Un matériau avec une Margeur de bande interdite inférieure à celle d'un second matériau émettra une radiation de recombinaison de bord de bande 20 à une longueur d'onde supérieure à celle du second matériau. La figure 4 montre que le spectre d'émission 120 de la couche active 18 peut être situé extérieurement du spectre d'absorption 122 de la couche inactive 20. De façon plus détaillée, l'absorption et l'émission d'un cristal semi-25 conducteur est déterminée par la distribution des niveaux d'énergie dans les bandes de conduction et de valence. Pour un cristal semiconducteur extrinsèque du type p comme on le montre dans la figure 3C, les niveaux accepteurs modifient la densité des états près du bord de la bande de valence et produisent une queue dans la densité des états qui décroît vers le milieu de 30 la bande interdite 106 et qui fusionne avec les états de la bande de valence originale 104. Quand les paires électron-trou sont produites dans le cristal semiconducteur par une excitation extérieure, l'émission de radiation de re-combinaison résultante comprend un pic dont la position dépend de la largeur de la bande interdite du matériau et de la distribution des niveaux d'impure-35 tés. L'augmentation de la concentration des accepteurs tend à déplacer le pic d'émission vers des longueurs d'onde plus longues. On détermine aussi l'absorption du matériau par la largeur de la bande interdite et la distribution des niveaux d'impureté. Pour un cristal semiconducteur du type n, le bord d'absorption en présence d'une concentration d'im-40 pureté élevée peut être déplacé vers des énergies plus élevées du fait du 69 08191 g 2013159 glissement du niveau de Fermi vers la bande de conduction. Par conséquent, la première couche 18 de la figure 1A est dopée de façon appropriée avec un matériau de type p (avec une concentration d'accepteurs nette de l'ordre de 1 fi —3 1 à 5 x 10 cm ) et le substrat 20 de la figure 1A est un matériau du type 18 -3 5 n (avec des concentrations de donneurs nettes de l'ordre de 1 à 4 x 10 cm ), l'émission dans la couche de type p (montrée en 120 dans la figure 4) aura donc une longueur d'onde plus longue que la longueur d'onde d'absorption de la couche du type n montrée en 122 dans la figure 4. Une autre façon pour déplacer le pic d'émission dans la première couche 10 18 vers les longueurs d'onde plus longues que la région d'absorption de la seconde couche 20 est de choisir de façon appropriée les compositions chimiques des deux couches de telle sorte que la longueur de la bande interdite dans la première couche soit inférieure à celle de la seconde couche. La différence des largeurs de bande interdite sera approximativement égale ou supérieure 15 à la largeur de raie de la lumière émise qui est de l'ordre de 20 à 100 meV. Une telle modification des largeurs de bande interdite est facilement obtenue par modification de la fraction molaire x dans Ga^^Al^As. Alors que x varie de zéro à environ 0,4, la largeur de la bande interdite augmente d'environ 1,4 électrons volt à environ 1,9 électrons volt. Ainsi, une modification dans 20 x d'environ 0,1 conduit à une modification de la largeur de la bande interdite de 100 à 125 meV. Quand un faisceau d'électrons ou de lumière frappe la surface d'un élément semiconducteur, une fraction de l'énergie du faisceau est convertie et crée des paires électron-trou par excitation des électrons de la bande de 25 valence à la bande de conduction du matériau comme on le montre dans les figures 3A, 3B, et 3C. L'épaisseur de la couche dans laquelle les paires électron-trou sont produites dépend de la distance de pénétration du faisceau d'excitation. Pour le faisceau d'électrons 12, l'épaisseur de la couche active varie de 1 ou 2 microns, si les électrons ont une énergie cinétique faible (environ 30 30 KeVJ, jusqu'à environ 20 ou 30 microns si les électrons ont une énergie cinétique élevée (environ 100 à 150 KeV). Dans le cas d'excitation optique, l'épaisseur de la couche 18 de la figure 1A est approximativement l'inverse de la constance d'absorption pour la lumière d'excitation et dans les cas caractéristiques où la lumière est 35 absorbée de façon importante, elle sera de l'ordre de 1 micron. La quantité d'excitation du dispositif dépend du taux de pompage, qui est le taux auquel l'énergie est fournie par la source d'excitation 10. Pour des taux de pompage suffisamment élevé, la couche semiconductrice 18 présente une inversion de population ce qui signifie que quelques uns des photons pro-40 duit par la recombinaison radiative des électrons et des trous dans la couche 0819 T 10 2013159 active, sont amplifiés. Quand une contre réaction convenable est fournie comme par exemple dans les couches de réflexion 22A et 24A de la figure 1A, l'amplification conduit à une émission stimulée cohérente ou émission laser. Si, comme dans la figure 1A, la direction d'émission laser est perpen-5 diculaire à la couche active, il est important que les pertes dues à l'absorption de la lumière émise dans le substrat 20 soient réduites autant que possible. On peut obtenir cela en prévoyant pour la couche supérieure 18 de l'échantillon une composition différente du substrat, de telle sorte que la lumière émise ait une longueur d'onde plus grande que le bord d'absorption du maté-10 riau de substrat. On peut obtenir l'effet optimal si la couche supérieure 18 a approximativement la même épaisseur que la couche active mentionnée ci-dessus. Par conséquent, cette épaisseur maximale dépend du type et de l'énergie de la radiation d'excitation 12. En pratique pour l'excitation par faisceau d'électrons, la couche supérieure 18 est choisie initialement pour avoir 15 une épaisseur approximativement égale à la profondeur de pénétration connue du faisceau d'électrons et l'énergie du faisceau d'électron est alors ajustée pour donner le résultat optimum. La composition de la couche supérieure 18 nécessaire pour obtenir l'effet décrit ci-dessus, est réalisable de plusieurs façons. Une façon est la diffu-20 sion d'un accepteur, de préférence Zn, dans un matériau semiconducteur de type n, tel que GaAs. On détermine 1'épaisseur.de la couche par la température et la durée de la procédure de diffusion. Par exemple, une couche d'épaisseur de 5 microns est produite par diffusion d'une source de ZnAs^. Si l'on chauffe le dispositif à 840°C durant 10 minutes et qu'on le refroidit à la température 25 ambiante, on obtient des couches plus épaisses ou plus fines par modification appropriée dans le programme temps-température. Le niveau de dopage moyen 18 ""3 dans la couche active 18 est de préférence dans le domaine de 2 è 6 x 10 cm . Une diffusion à travers une couche de dioxyde de silicium ou un autre masque de diffusion réduira la concentration de surface, et le programme temps-tempéra- 30 ture devra être prolongé pour fournir la profondeur désirée de la couche 18. L'effet de la diffusion de zinc est de diminuer la largeur de la bande interdite de la couche supérieure 18 par rapport à celle du substrat de type n 20 avec le résultat montré dans la figure 4. Autrement, on peut former la couche supérieure 18 par croissance en solu- 35 tion. Par exemple, on peut faire croître une couche de GaAs sur une couche de Ga._YAl As, ou à la fois la couche supérieure 18 et le substrat peuvent l A X être de Ga„ Al As, mais la couche supérieure a une fraction molaire de Al 1-x x r inférieure. La modification de la fraction molaire d'Al peut être obtenue de différente façon. L'une d'elle est la modification normale de la fraction 40 molaire durant la croissance en solution qui provient de l'appauvrissement 08191 n 2013159 en Al du fondu. Un second procédé utilise une modification du taux de refroidissement durant la croissance comme on le montre dans les figures B et 9. Une autre technique consiste en l'addition d'oxygène durant la croissance, □n choisit empiriquement la concentration d'impureté nette de la couche de 5 surface 18 pour optimiser l'émission laser de sortie dans cette couche et 18 celle-ci peut être de l'ordre de quelques fois 10 donneurs ou accepteurs 3 par cm . Un dispositif luminescent 14 différent de ceux montrés dans les figures 1A, 1B, et 2 est un dispositif dans lequel la couche supérieure est divisée 10 en deux parties montrées en 130 et 132 dans la figure 5A. Le fonctionnement de ce dispositif nécessite que les largeurs de bande interdite en allant de la couche 130 à la couche 132 puis au substrat 134 s'élargissent. Le fonctionnement de ce dispositif fait usage de la perte d'énergie d'un faisceau d'électrons lors de sa pénétration dans un solide, illustré schématiquement 15 dans la figure 5B. La perte d'énergie augmente lentement près de la surface, et comprend un pic large à une profondeur caractéristique dans le matériau, et diminue ensuite avec une profondeur croissante. Pour l'usage de la couche supérieure divisée, montrée dans la figure 5A, on modifie l'énergie du faisceau d'électrons 12 par commande du faisceau 35 de telle sorte que la perte 20 d'énergie principale se produise, soit dans la couche 130, c'est-à-dire, pour une énergie du faisceau d'électrons basse, ou dans la couche 132, c'est-à-dire, pour une énergie du faisceau d'électrons supérieure. Dans le premier cas, la lumière engendrée dans la couche 130 n'est pas absorbée dans les couches 132 et 134 qui ont des largeurs de bande interdite supérieures. Dans 25 le second cas, la lumière est engendrée principalement dans la couche 132 et la couche 130 est suffisamment excitée par le faisceau d'électrons de telle sorte qu'elle n'ait pas une absorption importante. Les couches de réflexion 22A et 24A sont choisies de façon appropriée suivant la description faite en relation avec les figures 1A et 1B. 30 Une autre modification de l'invention est montrée dans la figure 6A dans laquelle la couche supérieure présente une modification continue de composition de telle sorte que la largeur de la bande interdite augmente de façon continue avec la distance de la surface supérieure. Dans la figure 6A, l'augmentation de l'énergie du faisceau d'électrons 12 autorise le placement de 35 la région des pertes d'énergie maximum de plus en plus loin de la surface supérieure de la couche 140 entraînant la possibilité d'accord du le pic de la radiation émise en modifiant l'énergie du faisceau d'électrons. Dans la figure 6A, il se peut, mais il n'est pas nécessaire, que la limite 142 entre la couche supérieure 140 et la couche du ubstrat 144 représente une disconti-40 nuité dans la composition. On réalise le mieux la structure 6A en utilisant 08191 12 2013159 une épitaxie en phase liquide de Ga^^Al^As. On fait croître la couche du substrat 144 en premier avec un taux de refroidissement lent et alors on fait croître la couche 140 avec une composition changeante avec un taux de refroidissement croissant pour obtenir une fraction molaire réduite de Al. La modi-5 fication de la fraction molaire par rapport à la distance de la phase de la couche 140 est montrée schématiquement dans la figure 6B. Les structures des dispositifs luminescents 14 montrés dans les figures 1A, 1B, 2, 5A et 6A font des surfaces planaires. La surface peut aussi être courbe. On obtient l'émission laser perpendiculaire à la surface si les sur-10 faces supérieure et inférieure sont localement approximativement parallèles. On peut également utiliser les structures des figures 1A, 1B, 2, 5A, et 6A lorsque l'émission laser n'est pas obtenue, puisque la réduction des pertes rendue possible par ces structures est aussi bénéfique pour une émission spontanée de lumière. 15 La pratique de cette invention a été décrite essentiellement par rapport à un mode d'excitation du dispositif luminescent 14 par un faisceau d'électrons. Ce mode d'excitation a plusieurs avantages. En, particulier, les niveaux de puissance moyenne élevée et la variation de la profondeur de pénétration des électrons d'excitation. L'autre procédé d'excitation utilise un faisceau 20 lumineux 12 venant d'une source de radiation 10 qui est absorbé sur/distances de l'ordre de 1 ou 2 microns dans l'élément 14 si la radiation a une énergie supérieure à la largeur de la bande interdite de la couche supérieure 18, La structure des dispositifs luminescents de la figure 1A ou de la figure 1B peut être facilement utilisée. La couche supérieure 18 a une épaisseur 25 de l'ordre de 1 ou 2 microns. Pour les structures montrées dans les figures 5A et 6A, la profondeur nécessaire de pénétration de la lumière n'est pas réalisée aussi facilement du fait de l'excitation lumineuse de haute intensité nécessaire. Bien que l'on ait utilisé comme principaux exemples des matériaux utili-30 sés pour les structures luminescentes 14 dans les figures 1A, 1B, 2, 5A, et 6, le GaAs et le Ga^^Al^As et d'autres matériaux peuvent aussi convenir. En particulier, si l'émission laser est recherchée et que l'on obtient la modification de composition par dopage, alors tout semiconducteur à transition directe est convenable, par exemple les composés semiconducteurs III-V ou 35 IV-VI. Si l'on obtient la variation de composition par utilisation d'un alliage ternaire, on peut utiliser des alliages ternaires des composés III-V, II-VI ou IV-VI. Si les structures sont destinées à l'émission spontanées plutôt qu'à l'émission stimulée, on peut utiliser des matériaux à transition indirecte . 40 La figure 7 est un diagramme schématique d'un appareil convenant à la 69 08191 13 2013159 croissance d'un composé cristallin semiconducteur par épitaxie en phase liqui-' de. Il comprend une chambre de quartz 150 à l'intérieur de laquelle on prépare le composé. L'orifice 152 sert d'entrée pour un gaz inerte à pureté élevée et utilisé durant les différentes étapes de la procédure. Après avoir rempli £ son rôle durant les étapes de la procédure, le gaz inerte introduit par l'orifice 152 sort de la chambre 150 par l'orifice 154. Un creuset 156 d'A^Og se trouve à l'intérieur de la chambre 150. Les composants d'un composé ternaire par exemple, Ga, Al, et As, sont disposés sous forme de liquide en équilibre à une température donnée dans le creuset 156. La source de chaleur par laquelle 10 la température du liquide 156 est élevée et l'élément de dissipation thermique par lequel la température du liquide 158 est abaissée ne sont pas montrés. Un four électrique tubulaire vertical avec commande de température peut être utilisé à la fois pour la source de chaleur et pour l'élément de dissipation de chaleur, en l'environnement fournissant une température suffisante pour 15 le refroidissement. On introduit un tube de quartz 160 dans la chambre 150 par l'orifice 162. On place un bouchon 164 amovible sur le sommet du tube 160. Le tube de quartz 160 est relié par un joint 165 à une pièce de graphite 166 qui comprend une partie tubulaire 168 reliée au tube 160. L'orifice 170 du tube 168 sort juste au niveau de Ta surface du liquide 158. La partie en 20 graphite 166 est usinée de manière à présenter un prolongement 172 sur lequel un substrat solide, par exemple, une couche monocristalline GaAs 174, est fixé par la vis 176. Après la croissance du corps semiconducteur nécessaire pour utilisation comme élément luminescent 14, (voir par exemple, figure 1A), on enlève le 25 substrat GaAs 174 par meulage ou décapage d'une façon conventionnelle. On choisit un creuset 156 qui ne réagit pas aux composants du liquide 158 à la température de croissance du composé cristallin. On maintient dans la chambre 150 une pression convenable de gaz inerte 151, introduit par l'orifice 152, pour éviter la formation dans la liquide 158 de vapeur des compo-30 sants très volatils et en outre pour éviter toute réaction indésirable dans le liquide 158 avec des contaminants qui pourraient être introduits dans la chambre 150. Les gaz inertes qui conviennent sont par exemple l'argon et l'hélium. Un autre gaz qui est inerte pour le liquide 158 comportant les composants Ga, Al, et As, est le gaz de haute pureté composé, par exemple, de 10% 35 H2+ 90% N2- A titre d'exemple pour la croissance d'une couche de Ga^_^Al^As, on charge le creuset 156 avec les composants Ga, Al, et As sous la forme d'un liquide en équilibre à une température donnée, par exemple, 20gr Ga, 0,055gr Al (généralement, Al peut être de 0 à 0,200grs) et un excès de GaAs pur, par exemple, 40 3,5gr de GaAs. Quand cela est nécessaire, on peut ajouter un dopant d'un type 08191 14 2013159 de conductivité avec une concentration prédéterminée dans le liquide 158, par exemple, pour un semiconducteur de type n, préparé avec les composants précédents, on introduit 0,005 gr de Te dans le liquide 158. On introduit le creuset 156 dans la chambre 150 par un trou, non montré. Le tube de quartz 160 et la partie de graphite 166 sont reliés par le joint 165 et un substrat 174, par exemple du GaAs, dont la face principale est perpendiculaire à . l'axe cristallin «100 » est fixé au prolongement 172 et déposé dahs la chambre 150 au dessus du liquide 158. On nettoie la chambre 150 avec le gaz inerte 151, et on établit une pression convenable de ce dernier dans la chambre. Dans une opération de chauffage du liquide 158, la chambre 150 est placée sur un four isothermique maintenu à une température donnée pour l'équilibre du liquide 158, par exemple, 960°C. On attend le temps nécessaire pour que le liquide 158 atteigne la température d'équilibre isothermique donnée, par exemple, 5 minutes. On immerge alors le substrat 174 dans le liquide 158, on laisse s'écouler une période de temps telle que le substrat 174 se mette en équilibre avec le liquide 158 à la température d'opération. Il s'est avéré être pratique d'abaisser la température du liquide 158 juste avant l'introduction du substrat 174, par exemple, de 20°C, et après que le substrat 74 ait été introduit dans le liquide 158, d'augmenter quelque peu la température, par exemple, de 10°, de telle sorte que la température à laquelle l'initiation de la croissance peut se produire, soit une température présélectionnée, par exemple, 950°C. L'élévation de la température de 10°C entraîne aussi un bon mouillage du substrat GaAs 174 avec le fondu. Pour une composition uniforme de la couche de Ga. Al As dont la croissance a été obtenue sur le substrat 1 —x x 174, on choisit un taux de refroidissement particulier, par exemple, de 0,5°C à 1,0°C par minutej et le refroidissement à ce taux est poursuivi jusqu'à ce que l'épaisseur nécessaire de la couche du composé cristallin soit obtenue. Lorsque l'on désire faire croître une jonction semiconductrice p-n dans la couche de croissance, le liquide initial est dopé avec un dopant d'un type de conductivité déterminé, par exemple, 0,005gr de Tej et après qu'une certaine épaisseur ait été obtenue, par exemple, par refroidissement de 950°C à 915°C, on arrête le refroidissement et une partie de dopant de type p, par exemple, Zn, est introduit par le bouchon 164 dans le tube 160, et il tombe par l'orifice 170 dans le liquide 168. La température du liquide 158 est alors augmentée quelque peu, par exemple, à 920°Cj et on laisse s'écouler une période de temps appropriée, par exemple, 5 minutes, pour obtenir l'équilibre dans le liquide 158. Ensuite, on poursuit le refroidissement au taux de refroidissement prédéterminé antérieurement; et finalement, on termine le refroidissement lorsque l'épaisseur désirée du cristal résultant est obtenue, par exemple, lorsque la température a atteint 860°C. 69 08191 15 2013159 En augmentant brusquement le taux de refroidissement par rapport au taux de refroidissement sélectionné comme ci-dessus pour une couche de Ga„ Al As 1-x x de composition uniforme, par exemple, un taux supérieur à 10°C par minute, on dépose par épitaxie en phase liquide du GaAs pur; et l'on établit une jonc- 5 tion hétérogène de Ga. Al As et GaAs. 1 -x x Les figures 8 et 9 représentent des graphiques idéaux. Dans la figure B représentant le pourcentage d'AlAs dans une solution liquide en équilibre de Ga, Al, et As en fonction du taux de refroidissement comprend une partie pratiquement horizontale pour le refroidissement d'équilibre et une variation 10 linéaire lorsque le taux de refroidissement est par la suite modifié. Dans la figure 9 représentant le pourcentage d'AlAs dans une solution liquide en équilibre à une température donnée en fonction de la distance à l'interface de croissance initiale au substrat, on trouve deux niveaux. Pour un taux de refroidissement plus lent, on trouve un pourcentage plus élevé d'AlAs dans 15 la couche obtenue par croissance; et pour un taux de refroidissement plus rapide, on trouve un pourcentage inférieur d'AlAs dans la couche obtenue par croissance. On accroit l'efficacité des dispositifs luminescents semiconducteurs, (comprenant les lasers), excités par des sources extérieures telles que des 20 faisceaux d'électrons ou de photons à partir d'une structure dans laquelle une couche mince de la surface bombardée a une composition différente de la masse de la structure dans la direction du faisceau. L'épaisseur de cette couche est de l'ordre de la profondeur de pénétration du faisceau d'excitation, qui peut être de 1 à 20 microns pour le bombardement avec un faisceau d'élec-25 trons pour la plupart des semiconducteurs III-V et II-VI. La composition de la couche active de surface est telle que la couche ait une largeur de bande interdite inférieure à celle de la couche inactive. Cela réduit l'absorption dans la couche inactive de la radiation de recombinaison émise dans la couche active. 30 La réduction de la largeur de la bande interdite de la couche active de surface par rapport à la couche inactive support peut être obtenue comme suit: 1) par diffusion d'impuretés de dopage de type p dans un substrat de type n; 35 2) par croissance en solution ou en phase vapeur d'un matériau correc tement dopé et compensé sur le surface et 3) par la formation d'une hétéro-jonction par croissance en solution ou en phase vapeur. Bien que l'on .ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les des-40 sins, les caractéristiques principales de l'invention appliquées à des modes 08191 16 2013159 de réalisation préférés ds celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 69 08191 17 2013159 REVENDICATIONS 1.- Dispositif luminescent caractérisé en ce qu'il comporte un élément semiconducteur dont la composition est variable entre deux surfaces dudit élément de manière à ce que la radiation de recombinaison engendrée dans le matériau 5 à proximité de l'une des surfaces n'est pas substantiellement absorbée dans le matériau contigu à l'autre surface et une source de radiation placée de manière à diriger un faisceau de cette radiation vers l'une desdites surfaces pour engendrer ladite radiation de recombinaison à l'intérieur dudit matériau. 2.- Dispositif luminescent selon la revendication 1 dans lequel des couches 10 réfléchissantes sont disposées sur lesdites surfaces de manière à obtenir une amplification de la radiation de recombinaison dans ledit matériau. 3.- Dispositif luminescent selon la revendication 1 dans lequel ladite source de radiation est un générateur de faisceau électronique. 4.- Dispositif luminescent selon la sevendication 3 dans lequel les électrons 15 venant du générateur de faisceau électronique ont une énergie variable de manière à sélectionner une profondeur prédéterminée dans ledit élément semiconducteur pour engendrer la radiation de recombinaison à cet endroit. 5.- Dispositif luminescent selon la revendication 3 dans lequel la composition variable est due à une couche, contigue à ladite première surface, dont 20 - la largeur de la bande interdite est relativement petite et d'une autre couche continuant la première couche, contigue à la deuxième surface dont la largeur de la bande interdite est relativement grande. 6.- Dispositif luminescent selon la revendication 5 dans lequel la dite première couche a elle-même une composition variable. 25 7.- Laser caractérisé en ce qu'il comporte une source de radiation, un élément semiconducteur, disposé dans le chemin dudit faisceau de radiation, comprenant une première couche qui est irradiée par ledit faisceau et une seconde couche inactive, située en dessous de la dite couche supérieure et contigue à celle-ci, la radiation de recombinaison stimulée étant due à la conversion de l'éner-30 gie dudit faisceau de radiation. 8.- La ser selon la revendication 7 dans lequel la couche active a des dimensions relativement petites dans la direction de propagation du faisceau de 69 08191 18 2013159 radiation et relativement grandes transversalement à celle-ci. 9.- Laser selon la revendication 7 dans lequel lesdites premiere et seconde couches sont formées avec le même matériau semiconducteur mais avec des concentrations d'impuretés différentes de manière à ce que ladite première couche présente une largeur de bande interdite plus petite que ladite seconde 5 couche. 10*- Laser selon la revendication 9 dans lequel ladite première couche est du GaAs de type p et ladite seconde couche du GaAs de type n. 11.- Laser selon la revendication 9 dans lequel lesdites couches sont du Ga^_^Al^As mais où dans lasite première couche x est plus petit que dans la 10 dite seconde couche tout en étant inférieur ou égal à 0,4. 12.- Laser selon la revendication 9 dans lequel ladite première couche est du GaAs et la dite seconde couche du Ga^_xAl^As où x est plus grand que zéro. 13.- Laser selon la revendication 3 dans lequel la dite première couche a une configuration en damier et est disposée sous la forme d'ilôts dans ladite 15 seconde couche. 14.- Laser selon la revendication 9 dans lequel le faisceau de radiation est un faisceau électronique. 15.- Laser selon la revendication 9 dans lequel le faisceau de radiation est un faisceau lumineux. 20 16.- Laser selon la revendication 9 dans lequel ladite seconde couche n'absorbe pas substantiellement la radiation de recombinaison stimulée. 17.- Laser selon la revendication 9 dans lequel la radiation de recombinaison stimulée émise selon une direction perpendiculaire à ladite première couche est favorisée et sa propagation selon une direction parallèle à la dite pre- 25 mière couche est défavorisée. 18.- Laser selon la revendication 9 dans lequel l'épaisseur de ladite couche active est comprise entre 1 et 20 microns.