DE1539564A1 - Lumineszenzdiode mit hohem Wirkungsgrad - Google Patents
Lumineszenzdiode mit hohem WirkungsgradInfo
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Description
SIEMEHS AEtIMaESELlS CHAlT München 2, f4^pft|ggg
Berlin und München Wittelsbacherplatz 2
P 15 39 564. 9 PA 66/5119
Die Erfindung betrifft eine Lumineszenzdiode, insbesondere
eine AB -, z.B.\ eine G-aAs-Lumineszenzdlode, deren Wirkungsgrad
durch Reflexion der emittierten Strahlung an einem Hohlspiegel und Bündelung der Strahlung in die Richtung
der Reflektorachse erhöht ist.
Anordnungen, bei denen sich die lichtabstrahlende Lumineszenzdiode
etwa im Brennpunkt eines Hohlspiegels, z.B. eines Parabolspiegels befindet, sind bekannt (vgl, z.B. W.N". GARR:
IEEE Irans, on EIectr. Devices ED-12 (1965) 531) und wurden
zur Messung des äußeren Wirkungsgrades benutzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt derselbe G-edanke zugrunde,
Rb/Rl - 2 -
Meue Unterlagen (Art.7 §i Abs.2 Nr. τ satz 3des,Ämtewneage*™* tsR67?lNAf-
PA 9/493/823
nämlich möglichst Tiel des erzeugten lichts in eine Vorzugsrichtung
zu bündeln. Dazu wird auch das Prinzip der Reflexion
dec Lichts an einem Hohlspiegel vorwendet.
Allerdings wird das Ziel nicht durch die Benutzung eines
externen, d.h. nicht zum Halbleiterkörper der Lumineszenzdiode
gehörenden Hohlspiegels, sondern vielmehr dadurch erreicht, daß ein Teil der Oberfläche den die eine Diodenzone
bildenen Trägerkristalls als Reflektor für die am pn-übergang im Inneren des Trägerkristalls erzeugte Lumineszenzstrahlung
und ein anderer, insbesondere der restliche Teil der Trägerkristalloberfläche als Strahlungsaustrittsflächo
ausgebildet sind.
Der als Reflektorfläche ausgebildete Teil der Trägerkristalloberfläche kann mit einer gut reflektierenden, gut wärmeleitenden
und gut elektrisch leitenden, insbesondere metallischen Schicht belegt sein, go daß die Möglichkeit
besteht, die "\Ter lustwärme, die beim Betrieb der Diode
entsteht, abzuleiten, den Trägerkristall, der gleichzeitig eine Diodenzone bildet, elektrisch "",; . kontaktieren \\n(x
außerdem die Reflexionswirkung an diesem Teil der Trägerkristalloberflache
zu erhohen. Die Strahlenaustrittsfläche kann nach an sich bekannter Technik mit einer reflexionsmindernden
Schicht versehen sein, so daß das Licht möglichst vollkommen nach außen, und zwar durch die Reflexion an der
als Hohlspiegel wirkenden Reflektorfläche gebündelt, austritt» Mit einer derartigen Anordnung kann also erreicht v/erden, daß
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BAD ORIGINAL ~ 5 ~
PA 2/·;9;/023 _
fast das gesamte, an pn-übergang im Inneren den Trägerkiistails
erzeugte Licht in einer Vorzugsrichtung (Reflektorachse)
abgestrahlt wird. Eine so ausgebildete lumineszenzdiode eignet sich auf Grund des hohen Wirkungsgrades
besonders als Senderelement in einer optoelektronischenAnordnung, mit der bekanntlich eiii elektrisches
Signal zunächst in Licht umgewandelt und dann in Form von
optischer Strahlung übertragen werden soll« .
Weitere Einzelheiten sind in der nachfolgenden Beschreibung "
und an Hand der Figuren 1 biß 7 näher erläutert.
Die Lumineszenzdiode kann s.B. ausΛ B -Material, vorzugsweise
aus Galliumarsenid, GoAs, bestehen. Im allgemeinen ist
eine colche Diode so aufgebaut, daß die- an pn-übergang erzeugte LuminesF-cnzstralilung durch die n-Eone der Diode nach
außen fällt. Es ist deshalb vorteilhaft, daß der TräVerkristall
der erfindungcgen-äßen LumineszcnzaiOde aus n-Typ-GaAa
besteht, ι
Der als Reflektor ausgebiläete Seil der ITrägcrkristalloberfläche
soll zur Erhöhung der Se-flexion nit einer gut
reflektierenden Schicht versehen sein. TJn' gleichseitig die "~
Yerlustwärnie der Diode ableiten zu können, eignet sich
deshalb ein metallischer Überzug, s.B. aus Silber, Kupfer,
Aluminiun oder auch einer Legierung. Diese metallische
Schicht kann außerdem als Elektrodenkontaktierun,r des ■ .. '
irügerkri stalls j der ja'als eine Diodenzcnc benutzt ..wird,.
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PA 9/493/823 -4- ic-joce/
verwendet v/erden. Dio Reflektorfläche kann, ehe sie mit
der Schicht versehen wird, poliert sein.
Die Strahlungsaustrittsfläehc soll auf der Reflektorachse senkrecht stehen, un eine Bündelung des austretenden Lichts
in die Richtung der Reflcktorachsc (gewünschte Richtung der optischen Signalübertragung) zu ermöglichen.
Da infolge des. hohen Brechungsindex des GaAs an der Grenz-fläche
gegen luft bereits bei einen Einfallswinkel von etwa 17° Totalreflexion einträte, muß diese Strahlenaustrittsflächc
mit einer rcfiexionsrnindernden Schicht versehen werden. Das kann ohne Schwierigkeiten nach an sich bekannten Techniken
geschehen.
Gleichzeitig gut bündelnde Reflektoreigenschaf teil haben
s.B. Flächen von der Gestalt eines. Teiles einer der folgend
ausgeführten geometrischen Formen:
Elliptisches Paraboloid, Rotationsparaboloid, Ellipsoid,
Rotationsellipsoid, Kugel. Die Bündelung in Falle einer rotationsparaboloidißchen Reflektorfläche wird dann optimal,
wenn der pn-übergang in der Umgebung des Parabelbrennpunktes F
in Inneren des !rägerkristalTs liegt, in Falle eines Rotationsellipsoids
als Reflektorfläche in der Umgebung des einen Ellipsenbrennpunktes F^. In Falle einer kugolförnigen
Reflektorfläche muß der pn-übergang zwischen den Kugelnittolpunkt
M und der Reflektorfläche liegen.
909850/0461 _. 5 _
■ t ' . . . , , , ■ ■ : ! vSi'i
, 'Cf O'\
_ Ά -„ ■■►·.»» I I »»I. t H4
Die Strahlenaustrittsflache kann eine zur Reflektorachse
senkrechte Ebene oder auch eine senkrecht zur Reflektor-♦
achse stehende und so gewölbte Fläche sein, daß die austretende Strahlung zumindest teilweise in Richtung der
Reflektorachse gebündelt wird. Bei Ausbildung der Reflektorfläche in Gestalt eines Rotationsellipsoids in Verbindung
mit den Lichterzeugenden pn-übergang in der Umgebung des
einen Brennpunktes P^ ist es besonders zweckmäßig, die
Strahlenaustrittsfläche in Gestalt einer zun zweiten Brenn-.punkt
Pp konfokalen Kugelfäehe herzustellen; dann wird |
näirijich erreicht, daß fast die gesamte Lumineszenzstrahlung
in den zweiten Brennpunkt, P2, gesammelt wird.
Der pn-übergang soll im Inneren des !Erägerkristalls, der die
eine Dioden-Zone bildet, angeordnet sein. Die Herstellung des pn-Üborgangcs kann folgendermaßen geschehen: Längs der
Reflektorachse, und zwar entweder von der Seite der Reflekorflache
oder von der Seite der Strahlenaustrittsflache her,
wird in den Trügorkristall, der als eine Diodenzone dient,
ein Loch nit einen Querschnitt, der wesentlich kleiner als die Strahlenaustrittsflache ist, gebohrt und an der vorgesehenen
Stelle die anders dotierte Zone und damit der pn-übergang erzeugt. Die axiale Bohrung kann dabei z.B. mittels Slektronenstrahlen,Ionenstrahlen,
Laserstrahlen oder auch durch Ätzen nit einen Gas- oder Flüssigkeitsstrahl hergestellt werden.
Die anders dotierte Zone, und damit der pn-übergang, kann
dann an der gewünschten Stelle der axialen Bohrimg durch
Legieren, Diffundieren oder auch durch Einschießen fokussierter
lonenstraiilen erzeugt werden.
9098S0/G4I1 '_G _
ßAD ORIGINAL
.PA 9/493/825 ■ ·- : '*** ··*
. Die Kontaktierung dieser so erzeugten zweiten Diodenzone
kann durch Anlegieren eines gegen den Trägerkristall elektrisch
isolierten Drahtes oder auch durch Aufsetzen eines ebenfalls elektrisch gegen den Trägerkristall isolierten
Spitzenkontaktes hergestellt werden.
In den Figuren 1 bis 7 sind folgende Ausführungsbeispiole
skizziertί '
Pig. 1 : Rotationsparaboloid (Brennpunkt F) als Reflektorfläche
ebene Strahlenaustrittsfläche axiale Bohrung von der Seite der Strahlensr.ia-trü,!;'»-
flache her; pn-übergang bei F
Fig. 2 ί wie in Fig. 1, nur gewölbte Strahlenaustrittsflächc
Fig. 3 : langgestrecktes Rotationsparaboloid (Brennpunkt F)
als Reflektorfläche; a-Äbntand des Brennpunktes F von der Strahlenaustrittsfläche
kugelförmige Strahlenaustrittsfläche (Kriiramungsinittel-
punkt Mr, Krümmungsradius r ia)
axiale Bohrung von der Seite der Reflektorfläche her.·
pn-übergang bei F
Fig. 4 : Rotationsellipsoid (Brennpunkte F1 u. F2) als Reflektorfläche
ebene Strahlenaustrittsfläche axiale Bohrung von der Seite der Strahlenaustritts- ·
fläche her; pn-übergang bei Ff Fig. 5 : langgestrecktes, d.h. stark exzentrisches Rotations-
ellipsoid (Brennpunkte F-, u.Fp) als
Eeflektorfläcite S03850/046!
BAD ORIQiNAL
zuri zweiten Brennpunkt konfokale Kugelfläche (Mittelpunkt
Mr=Fp) als Strahlenaustrittsfläche
axiale Bohrung von der Seite der Strahlungsaustritts-
flache her; pn-übergang bei P^
Pig. 6 : Kugelfläche (Mittelpunkt M) alo RdLektorflache
ebene Strahlenauotrittsfläche zwischen Reflektor-
flache und deren Krümmungsniittelpunkt
M
pn-übergang an einer Stolle P zwischen M und Reflektorfläche
Pig, 7 J Kugelfläche (Mittelpunkt M) als Reflektorfläche gewölbte Strahlenaustrittsfläche axiale Bohrung von der Seite der Str&hlenatistritts-
Pig, 7 J Kugelfläche (Mittelpunkt M) als Reflektorfläche gewölbte Strahlenaustrittsfläche axiale Bohrung von der Seite der Str&hlenatistritts-
fläche her; y.·:.-L-:-·· '-·-.- '-
pn-übergang bei P awischen M und Reflektorfläche
Übereinstimmend in allen Figuren bedeuten:
1 = Trägerkristall, der eine Diodenzone bildet
■..■■■; " . ■; I
2 = andere Modenzonc
3 = pn-^bergangsgebiet !
4 ■=.Reflektorfläche
5 - Strahlenaustrittsfläche
6 = gutreflektierende, elektrisch und v/ärineleitende Schicht
7 - reflexicnsnindernde Schicht
A s=. Rcflcktorachso . :
E1= 'Slektroäenzuführung zum Srägerkristall 1 '
En= gegen den Srägerkristall elektrisch isolierte Elektrodenzuführung
der anddren'Biodenzone 2
909850/0461
PA 9/493/823 - .8 - .;
RP bedeutet Rotationsparaboloid RE bedeutet Rotationsellipsoid
K bedeutet Kugel
27 Patentansprüche 7 Figuren
909850/0461 8A0
Claims (1)
- Patentansprücheμ. Lumineszenzdiode, deren Wirkungsgrad durch Reflexion der emittierten Strahlung an einer als Hohlspiegel wirkenden Fläche erhöht ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Oberfläche des die eine Diodenz.one bildenden TrUgcrkristall ■ (1) als Reflektor (4) für die an -pn-übergang (3), der im Inneren des Trugerkristalls (1) hergestellt ist, erzeugte luraincszcnzstrahlung und ein anderer, insbesondere der restliche'Teil der TrUgerkristalloberflache als Strahlenaustrittsfläche (5) f ausgebildet sind.Lumineszenzdiode nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Trägcrkristall (l) aus n-Typ-Galliumarsenid besteht.3-. Lumineszenzdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als Reflektor (4) dienende Teil der Trägerkristalloberflächc mit einer gutreflektiercnden, warne- und elektrisch leitenden, insbesondere metallischen Schicht (6) versehen ist. (4. Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenaustrittsfläche (5) mit einer reflexicnsmindcrnden Schicht (7) verschen ist.5. Lumineszenzdiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß. der als Reflektor (4) dienende Teil der Trägerkristalloberfläche die Gestalt eines zur Reflcktorachse (A) symmetrischen Teils der Oberfläche eines elliptischen Paraboloids hat.9098507046t BAD ORIGINAL■'·*» Unterlagen■»«U^i^^^^-n -**· ^* y« T96/ ·• i t *PA 9/493/823 - 10 - " ..; I'*' : ' " ■"·■"*6. lumineszenzdiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnety daß ' der als Reflektor (4) dienende Teil der Trügerkristall-·':i oberfläche die Gestalt eines zur Reflektorachso (A) symmetrischen Teils der Oberfläche eines Rotationsparaboloids (RP) hat (Fig. 1-3).7. lumineszenzdiode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-übergang (3) in der Umgebung des Brennpunktes (P) hergestellt ist (Fig. I - 3 ).8. Lumineszenzdiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der als Reflektor (4) dienende Teil der Trägerkristalloberfläche die Gestalt eines zur Reflektorachse (A) symmetrischen Teils der Oberfläche eines Eilipsoida hat.9. lumineszenzdiode nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß der als Reflektor (4), dienende Teil der Trägerkristalloberfläche die Gestalt eines zur Rcflckorachso (A) symraentrischen Teils der Oberfläche eines RotaticmseliipGoids (RE) hat (Fig. 4 und 5).10. Lumineszenzdiode nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß der pn-übergang (3) in der Umgebung des Brennpunktes (F^) hergestellt ist (Fig. 4 und 5).11. Lumineszenzdiode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der als Reflektor (4) dienende Teil der Trägerkristalloberfläche die Gestalt eines Teils einer Kugelfläche (K) hat (Fig. 6 und 7).909850/0461- 1Γ -BAD ORIGINALFA 9/493/823 - 11 ~153956A12.'lumineszenzdiode nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-übergang (3) an einer Stelle (P) auf der Re fielet orach se (Λ). zwischen Kugelmittelpunkt (M) und kugelfonniger Reflektorfläche (4) erzeugt ist (Fig.6 und 7).13. lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenaustrittsflache (5) eine zur Reflektorachse (A) senkrechte Ebene ist (Fig. 1,4*6).14. Lumineszenzdiode nach einen der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenaustrittsfläche (5) eine zur Reflektorachs ο (A) symme.ntri8.cho und so gev/ölbte " Fläche ist, daß die austretende Strahlung zumindest teilweise in Richtung der Reflektorachse (A) gebündelt ist.15. Lumineszenzdiode nach Anspruch 10 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenaustrittsflache (5) eine zun ZVi et ten Brennpunkt (Fo = Mt) des Rotationsellipsoids (RE) konfokalc Kugelfläche (K) zwischen beiden Brennpunkten (F1 und F2) ist (Fig. 5).16. Verfahren zun Heritjllen des pn-tJbergangs, der sich nach Anspruch 1 im Inneren des Trägerkristalls (1) befinden soll, dadurch gekennzeichnet, daß längs der Achse.(A) ein Loch mit einem Querschnitt, der in Vergleich zur Strahlenaustrittsfläeho (5) klein ist, gebohrt und an der vorgesehenen Stelle die Zone (2), deren Leitungstyp dem des irägerkristalls (1) entgegengesetzt ist, und damit auch der pn-tlbergang (3)erzeugt vferden.909850/0461 - BAD ORIGINAL >d17· Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung längs der Achse (A) raittc-lß Elektronenstrahlen erzeugt wird.18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daf3 die Bohrung länge der Achse (A) mittels Ionenstrahlen erzeugt wird.^ 19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung längs der Achse (A) mittels Laserstrahlen erzeugt wird.20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung längs der Achse- (A) durch Ätzen mit einen Gasstrahl erzeugt wird.21. Verfahren nach Anspiuch 16, dadurch gekennzeichnet, daß •die Bohrung längs der Achse (A) durch Ätzen rait-einen Flüssigkeitsstrahl erzeugt wird.22. Verfahren nach einen der Ansprüche 1X - 21, dadurch gekennzeichnet, "daß die Zone (2),-deren Ifn.tungntyp den den Trügerkristalls (1) entgegengesetzt" irt, und danit auch der pn-Ül:ergang (3) durch legieren ei ε-3-uft werden.2J. Verfahren nach eir.cn der Ansprüche 16 — 21, dadurch gekennzeichnet, daio die Zone (2), deren Lei fange typ den de-3. Trügeiv.riD tails (1) entgegengesotet int, .und danit9098507(HSt:auch derpn-übergang (3)" durch Diffundieren erzeugt- Yierdeh;24· Verfahren nach einen der Ansprüche 16 - 21, dadurch ge^ kennzeichnet, daß die Zone (2), deren teitungstyp debt des Trä-gerkristalls (-1) entgegengesetzt ist, Und danii auch der pn-übergang (3) durch Einschießen fokussierter Ionehstrahlen erEeugt vrerdeh.25. iunineszehzdiode nach'einen der Ansprüche 1 - 24, dadür.cli: gekenne zeichnet, daß die ■ gutreflektierende * v/ärmeieitende " und elektrisch leitende Schicht (6) auf dein al© Reflektor (4) v/irkende Teil der Tragerkristalloberfläche mit der einen Blektrode (B,), die in der axialen Bohrung lh innerert dea Trügerkristalls erzeugte Zonq (2) rait der anderen, elektrisch gegen den Trägerkristall isolierten Elektrode (Eg) kontaktiert ist. ' - ■26. lumineüzensdiode nach Anspruch; 2-5 ,-· dadurch gekennzeichnet,daß die Kontaktierung durch Einlegieren dünner lirähte .(hergestellt ist.2?. turnineszenzdiode: nach-Anspruch 25, dadurch .gekennzeichnet, daß die Kontaktierung durch, federnd aufgesctZtc S.pitzen-'kontakte" hergestellt iat. ' ■ ■ . ; ; \... . ..■> \
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