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Die
Erfindung betrifft ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement
mit einer strahlungserzeugenden aktiven Schicht, die zwischen zwei
verteilten Bragg-Reflektoren angeordnet ist. Die verteilten Bragg-Reflektoren
bilden einen optischen Resonator für eine bestimmte Wellenlänge λ.
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Leuchtdioden
der eingangs genannten Art werden beispielsweise mit Hilfe des Materialsystems AlGaInP
realisiert. In den letzten Jahren wurden deutliche Fortschritte
sowohl hinsichtlich der technischen Qualität als auch hinsichtlich des
Marktvolumens gemacht. Die optischen Eigenschaften einer solchen
Diode wie zum Beispiel die Emissionswellenlänge oder auch die spektrale
Reinheit werden durch die verteilten Bragg-Reflektoren bestimmt.
Ein sehr interessantes Merkmal ist in diesem Zusammenhang die Möglichkeit,
die Direktionalität
des emittierten Lichts zu verstärken,
woraus eine vergrößerte Helligkeit
resultiert. Solche Leuchtdioden können demnach besonders vorteilhaft
dort eingesetzt werden, wo die Lichtemission in ein System mit einer
vorgegebenen numerischen Apertur eingekoppelt werden soll. Beispiele
hierfür
sind optische Kunststoffasern, optische Scanner oder auch Drucker
und Anzeigen.
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Aus
der Druckschrift
DE
695 22 778 T2 ist ein VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting
Laser) bekannt, der eine obere und eine untere Abstandsschicht über bzw.
unter einer aktiven Schicht aufweist, um die erforderliche Länge des
optischen Resonators zwischen einem oberen und einem unteren Spiegel
festzulegen, wobei der optische Resonator insbesondere über eine
Länge von
nλ/2 verfügt (wobei λ die Wellenlänge des
emittierten Lichts ist und n eine ganze Zahl).
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Aus
der Druckschrift
EP
1 081 816 A2 ist ein VCSEL bekannt, dessen aktive Schicht
eine Mehrzahl von Quantenstrukturen aufweist, wobei die Quantenstrukturen
jeweils symmetrisch um ein Maximum des Betrages des elektrischen
Feldes herum angeordnet sind.
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Aus
der Druckschrift R. Wirth et al., ”High Efficiency Resonant Cavity
LEDs Emitting at 650 nm”, IEEE
Photon. Technol. Lett., Vol. 13, pp. 421, 2001 sind strahlungsemittierende
Halbleiterbauelemente der eingangs genannten Art bekannt, wobei
die aktive Schicht in einer resonanten Kavität angeordnet ist. Solche Leuchtdioden
(LED) werden daher auch durch RCLED (Resonant Cavity Light Emitting
Diode) abgekürzt.
Bei den bekannten RCLEDs ist die aktive Schicht so dünn wie möglich ausgeführt. Die
minimale Dicke für
die aktive Schicht ergibt sich aus der Forderung, daß die Wellenlänge des
zu emittierenden Lichts zwischen die beiden verteilten Bragg-Reflektoren passen
muß, um
die entsprechende Randbedingung für eine stehende Welle im Resonator
zu erfüllen.
Indem die aktive Schicht möglichst
dünn ausgeführt wird,
kann erreicht werden, daß das
strahlungsemittierende Halbleiterbauelement eine maximale Auskoppeleffizienz
aufweist.
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Die
bekannten Leuchtdioden haben jedoch den Nachteil, daß die interne
Quanteneffizienz durch hohe Leckströme, welche aus den schmalen
Ladungsträgerbarrieren
resultieren, verringert ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leuchtdiode anzugeben,
die niedrige Leckströme
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Bauelements sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Es
wird ein strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement angegeben,
das eine strahlungserzeugende aktive Schicht aufweist. Die aktive
Schicht ist zwischen zwei verteilten Bragg-Reflektoren angeordnet. Die Bragg-Reflektoren
bilden einen optischen Resonator für eine Wellenlänge λ. Die Dicke
der aktiven Schicht ist größer als
die Wellenlänge λ.
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Das
Halbleiterbauelement hat den Vorteil, daß durch die vergrößerte Dicke
der aktiven Schicht der in der aktiven Schicht zur Verfügung stehende Platz
vergrößert ist.
Daraus ergibt sich der Vorteil, daß beispielsweise der Platz
zur Verfügung
steht, um Barrieren zum Einsperren von Ladungsträgern in der aktiven Schicht
auszubilden. Solche Barrieren können
dicker gestaltet werden, weswegen die Anzahl der Ladungsträger, die
durch Überwinden
der Barriere beziehungsweise durch Tunneln durch die Barriere die
aktive Schicht verlassen, reduziert werden kann.
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Es
ist ein Halbleiterbauelement vorteilhaft, bei dem die Dicke der
aktiven Schicht ein ganzzahliges Vielfaches von λ beträgt. Ein solches Bauelement
hat den Vorteil, daß mit
Hilfe der sich direkt an der aktiven Schicht anschließenden verteilten Bragg-Reflektoren
ein Resonator erzeugen läßt, für den bei
der Wellenlänge λ die Randbedingung
für das
Erzeugen einer stehenden Welle im Innern des Resonators erfüllt ist.
Dadurch kann der Resonator seine Aufgabe optimal erfüllen.
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Es
ist ein Halbleiterbauelement besonders vorteilhaft, bei dem die
Dicke der aktiven Schicht 2 × λ beträgt. Ein
solches Bauelement hat den Vorteil, daß trotz dickerer aktiver Schicht
die Auskoppeleffizienz noch nicht so stark verringert ist, daß der Vorteil hinsichtlich
der internen Effizienz (Reduktion der Leckströme) überkompensiert wird. Mit steigender Ordnung
der Kavität
wird nämlich
die Auskoppeleffizienz für
das Licht aus der Leuchtdiode immer schlechter.
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Bei
dem Halbleiterbauelement weist die aktive Schicht einen aktiven
Bereich auf, welcher zwischen einer p-dotierten Barriere und einer
n-dotierten Barriere angeordnet ist. Der aktive Bereich ist dabei symmetrisch
um ein Maximum des Betrages des elektrischen Feldes herum angeordnet,
wobei das Maximum des Betrages des elektrischen Feldes einer im
Resonator stehenden optischen Welle der Wellenlänge λ zugeordnet ist. Durch die spezielle
Anordnung des aktiven Bereichs kann erreicht werden, daß eine optimale
Kopplung zwischen der Mode im Resonator und der Emission des aktiven
Bereichs erreicht wird.
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Es
ist dabei vorteilhaft, wenn die Dicke des aktiven Bereichs kleiner
als λ/2
ist. Hierdurch kann einerseits erreicht werden, daß sich der
Resonator auf den Teil der Mode mit betragsmäßig maximaler Feldstärke beschränkt, sowie
andererseits, daß noch mehr
Platz für
Ladungsträgerbarrieren
innerhalb der aktiven Schicht zur Verfügung steht.
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Die
p-dotierte Barriere ist dicker ausgeführt als die n-dotierte Barriere.
Der Grund hierfür
ist, daß für eine bestmögliche Nutzung
der Barrierenhöhe eine
möglichst
hohe Dotierung notwendig ist. Aus technologischen Gründen ist
es speziell bei der p-seitigen Barriere nur schwer möglich, das
gewünschte Dotierniveau
zu erreichen, wenn für
die p-seitige Barriere lediglich die Dicke zur Verfügung steht,
wie sie eine LED mit resonanter Kavität nach dem Stand der Technik
aufweist.
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Dadurch
wird erreicht, dass das Maximum des Betrages des elektrischen Feldes,
welches die Lage des aktiven Bereichs bestimmt, näher an dem n-dotierten
verteilten Bragg-Reflektor als an dem p-dotierten verteilten Bragg-Reflektor
liegt. Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn der aktive Bereich nicht
in der Mitte des Resonators sondern an einem am Rand des Resonators
befindlichen Maximum des Betrages des elektrischen Feldes angeordnet
ist.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und den dazugehörigen Figuren
näher erläutert.
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1 zeigt
beispielhaft ein Halbleiterbauelement in einem schematischen Querschnitt.
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2 zeigt
beispielhaft das elektrische Feld einer stehenden optischen Welle
in einem Bauelement gemäß 1,
wobei der Betrag der Feldstärke über der
Achse x aus 1 in einem Tiefenprofil dargestellt
ist und wobei die einzelnen Schichten aus 1 mit eingetragen
sind.
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1 zeigt
die Schichtabfolge einer RCLED in einer schematischen Darstellung.
Es ist auf einem Substrat 7 ein erster verteilter Bragg-Reflektor 21 angeordnet.
Das Substrat 7 kann vorteilhafterweise aus Galliumarsenid
bestehen. Dementsprechend können die
in 1 gezeigten Bragg-Reflektoren 21, 22 aus dem
Materialsystem Aluminium-Galliumarsenid hergestellt sein. Der erste
verteilte Bragg-Reflektor 21 besteht aus 34 Schichtpaaren,
die in dem Ausschnitt dargestellt sind. Die Schichten 211 bestehen
abwechselnd aus Al0,95 Ga0,05 As
und Al0,5 Ga0,5 As.
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Auf
dem ersten verteilten Bragg-Reflektor 21 ist eine aktive
Schicht 1 aufgebracht.
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Die
in 1 dargestellten Schichten können beispielsweise mittels
metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) abgeschieden werden.
Entscheidend ist, daß die
Schichtdicken der einzelnen Schichten sehr genau kontrolliert werden,
um einerseits die gewünschte
Länge des
Resonators und andererseits die Lage des aktiven Bereichs auf das
gewünschte Maß einzustellen.
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Auf
dem ersten verteilten Bragg-Reflektor 21 ist die aktive
Schicht 1 aufgebracht. Die aktive Schicht 1 basiert
auf dem Materialsystem AlGaInP. Die aktive Schicht ist dabei unterteilt
in einen aktiven Bereich 4 sowie in eine n-dotierte Barriere 31 und eine
p-dotierte Barriere 32. Die einzelnen Teile der aktiven
Schicht 1 unterscheiden sich im Verhältnis von Aluminium zu Gallium.
Der aktive Bereich 4 weist eine Abfolge von 5 Quantentrögen auf,
in denen die Lichterzeugung durch Rekombination von Elektronen und
Löchern
stattfindet. Hingegen sind die p- beziehungsweise n-dotierten Barrieren 31, 32 als
einfache Potentialbarrieren gestaltet.
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Auf
der aktiven Schicht 1 ist ein zweiter verteilter Bragg-Reflektor 22 angeordnet,
der aus sechs Schichtpaaren besteht. Dabei wechseln sich wie im Ausschnitt
des zweiten verteilten Bragg-Reflektors 22 angedeutet,
Schichten 221 aus Al0,95 Ga0,05 As mit Schichten 221 aus Al0,5 Ga0,5 As ab. Über den
zweiten verteilten Bragg-Reflektor 22 wird die in der aktiven Schicht 1 erzeugte
Strahlung ausgekoppelt. Auf der Oberseite des zweiten verteilten
Bragg-Reflektors 22 befindet sich eine Metallisierung 8,
die der elektrischen Kontaktierung des Bauelements dient.
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1 ist
noch zu entnehmen, daß das
Bauelement ein vertikal abstrahlendes Bauelement ist, da, wie durch
den Pfeil angedeutet, die Strahlung nach oben abgegeben wird.
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In 1 ist
auch noch die Richtung eines Profils in die Tiefe x angegeben, wobei
hinsichtlich Einzelheiten auf 2 verwiesen
wird.
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2 zeigt
den Betrag der Feldstärke
einer stehenden optischen Welle 6 in der Abhängigkeit
von der Tiefe x gemäß 1.
Es ist der Betrag der elektrischen Feldstärke in der Einheit V pro Meter
aufgetragen über
die Tiefe x in der Einheit nm. Die Wellenlänge der stehenden optischen
Welle 6 beträgt
660 nm. Aufgrund der speziellen Eigenschaften der verteilten Bragg-Reflektoren 21, 22,
welche auch unter dem Namen Distributed Bragg Reflector (DBR) bekannt
sind, ergibt sich ein Ma ximum des Betrages der Feldstärke im mittleren
Bereich von 2, wobei der Betrag der Feldstärke zu den
Rändern
hin abnimmt. Die verteilten Bragg-Reflektoren 21, 22 sind
dabei auf die Wellenlänge λ von 660
nm abgestimmt.
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Darüber hinaus
ist in 2 gezeigt, wie die in 1 beschriebenen
Schichten bemessen sind und wie die relative Lage dieser Schichten
zur Feldstärke
der stehenden optischen Welle 6 ausgeführt ist.
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Die
Tiefe x ist dabei gemessen von der Grenzfläche des Bauelements zum Medium,
beispielsweise zur Luft hin. Beginnend beim Substrat 7 ist
in der rechten Hälfte
von 2 ein erster verteilter Bragg-Reflektor 21 angeordnet.
Dieser Bragg-Spiegel
ist n-dotiert, beispielsweise mittels Tellur. Er basiert auf dem
Materialsystem Aluminium-Galliumarsenid. Mittels des ersten verteilten
Bragg-Reflektors 21, im folgenden n-Spiegel genannt, werden
Elektronen in die aktive Schicht 1 injiziert.
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An
den n-Spiegel schließt
sich die aktive Schicht 1 an. Am rechten Rand der aktiven
Schicht 1, welche die Dicke D von zirka 430 nm besitzt,
befindet sich die n-dotierte Barriere 31, welche eine Dicke
Dn von etwa 80 nm aufweist. Die n-dotierte Barriere 31 verhindert
Leckströme
von Löchern,
welche sich in der aktiven Schicht 1 befinden und welche
ohne Barriere zum n-Spiegel abfließen würden.
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Entsprechend
ist auf der anderen Seite der aktiven Schicht 1 eine p-dotierte
Barriere 32 angeordnet, welche eine Dicke Dp von
zirka 300 nm aufweist. Diese Barriere 32 verfolgt den Zweck,
Leckströme von
Elektronen aus der aktiven Schicht 1 in die am linken Rand
der aktiven Schicht 1 angrenzende zweiten verteilten Bragg-Reflektor 22,
welcher p-dotiert ist, zu verhindern. Um das gewünschte Dotierniveau für die p-seitige
Barriere erreichen zu können,
wird die Dicke Dp der p-dotierten Barriere 32 wesentlich größer ausgeführt als
die Dicke Dn der n-dotierten Barriere 31.
Daraus resultiert der Effekt, daß sowohl die Elektronen als
auch die Löcher
in der aktiven Schicht 1 optimal gehalten werden können, wodurch die
Quanteneffizienz des Bauelements steigt.
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Zwischen
den beiden Barrieren 31, 32 ist noch der aktive
Bereich 4 angeordnet, dessen Dicke d zirka 40 nm beträgt. Bezüglich des
aktiven Bereichs 4 ist die Position symmetrisch zu einem
Maximum des Betrages des elektrischen Feldes 5 der stehenden
optischen Welle 6 wesentlich, da nur so ein optimaler Überlapp
von der Mode des Resonators mit dem lichterzeugenden aktiven Bereich
erreicht werden kann. Der im aktiven Bereich 4 liegende
Abschnitt der stehenden Welle 6 ist durch eine vergrößerte Linienstärke angedeutet.
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Auf
der dem ersten verteilten Bragg-Reflektor 21 gegenüberliegenden
Seite der aktiven Schicht 1 ist ein zweiter verteilter
Bragg-Reflektor 22 angeordnet, welcher p-dotiert ist, beispielsweise
mittels Kohlenstoff. Durch den im folgenden als p-Spiegel bezeichneten
zweiten verteilten Bragg-Reflektor 22 werden Löcher in
die aktive Schicht 1 beziehungsweise in den aktiven Bereich 4 injiziert.
Diese Löcher werden
durch die n-dotierte Barriere 31 am Verlassen des aktiven
Bereichs 4 in Richtung auf den n-Spiegel gehindert.
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An
der Oberfläche
des p-Spiegels ist noch eine Metallisierung 8 aufgebracht,
die der elektrischen Kontaktierung des Bauelements dient.
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Die
vorliegende Erfindung beschränkt
sich nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele,
sondern bezieht sich auf alle RCLEDs, bei denen die Kavität größer als
die Wellenlänge λ ist, also
insbesondere auf 2, 3, 4 oder 5 λ-Kavitäten.