DE19747433A1 - Semiconductor LED has a reflection reducing quarter wavelength layer stack of semiconductor materials - Google Patents

Semiconductor LED has a reflection reducing quarter wavelength layer stack of semiconductor materials

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DE19747433A1 DE1997147433 DE19747433A DE19747433A1 DE 19747433 A1 DE19747433 A1 DE 19747433A1 DE 1997147433 DE1997147433 DE 1997147433 DE 19747433 A DE19747433 A DE 19747433A DE 19747433 A1 DE19747433 A1 DE 19747433A1
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Abstract

A semiconductor LED has a reflection reducing arrangement of pairs of alternate high and low refractive index lambda /4 layers consisting of an electrically conductive semiconductor material. A semiconductor LED has a reflection reducing layer arrangement which is located between a lambda -emitting optically active zone and a light output interface, between the high refractive index semiconductor material and an external low refractive index material, and which comprises pairs of a high refractive index lambda /4 layer and an overlying low refractive index lambda /4 layer, each layer having an optical thickness of one-quarter (or an odd number multiple) of the wavelength of the light waves and the uppermost lambda /4 layer, in contact with the external low refractive index material via the light output interface, being a low refractive index lambda /4 layer. The novelty is that the lambda /4 layers are arranged parallel to the active zone and consist of an electrically conductive semiconductor material.

Description

Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Halbleiterdiode gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a light-emitting semiconductor diode according to the Preamble of claim 1.

Schichtanordnungen zur Veränderung, bspw. Herabsetzung, der Reflexion von Lichtwellen an einer Grenzfläche zwischen Stoffen mit unterschied­ lichem Brechungsindex sind theoretisch von Weißmantel/Haman : Grund­ lagen der Festkörperphysik, 2. Aufl. 1981, VEB Deutscher Verlag der Wissen­ schaften, S. 708 ff. zu entnehmen. Als die optische Dicke einer Schicht­ anordnung wird die mit dem Brechungsindex n des Stoffes multiplizierte geometrische Schichtdicke bezeichnet. Dadurch soll die sich in Abhängigkeit vom Brechungsindex verändernde Wellenlänge von Lichtwellen berück­ sichtigt werden, denn die Wellenlänge im Medium ist die Wellenlänge im Vakuum λ geteilt durch den Brechungsindex des Mediums nMedium. Die geo­ metrische Dicke d einer λ/4-Schicht, wie sie von Weißmantel/Hamann vorgeschlagen wird, ergibt sich gemäß der Formel: d = λVakuum/4nMedium.Layer arrangements for changing, e.g. reducing, the reflection of light waves at an interface between substances with different refractive index are theoretically from Weißmantel / Haman: Basis of Solid State Physics, 2nd ed. 1981, VEB German Publishing House of Sciences, p. 708 ff . refer to. The optical layer thickness is the geometric layer thickness multiplied by the refractive index n of the substance. This should take into account the changing wavelength of light waves depending on the refractive index, because the wavelength in the medium is the wavelength in vacuum λ divided by the refractive index of the medium n medium . The geometrical thickness d of a λ / 4 layer, as proposed by Weißmantel / Hamann, results from the formula: d = λ vacuum / 4n medium .

Zu entnehmen ist auch, daß bei optischen Schichtdicken von λ/4 der Wellen­ länge λ der Lichtwellen im jeweiligen Medium oder einem ungeradzahligen Vielfachen von λ/4 es zur Interferenz der an kommenden und reflektierten Lichtwellen kommt. Als wesentlichste Materialien haben sich dabei für den Bereich der Halbleitertechnik dielektrische Materialien, bspw. SiO2, SiNx, SiON oder metallische Oxide (TiOx, Al2O3) herausgestellt, die als Bandpaß oder Bandfilter eingesetzt werden können. Dielektrika werden fertigungs­ technisch jedoch in einem getrennten Prozeß erst nach der Epitaxie aufgetragen.It can also be seen that with optical layer thicknesses of λ / 4 of the wavelengths length λ of the light waves in the respective medium or an odd multiple of λ / 4 there is interference of the incoming and reflected light waves. The most important materials for the field of semiconductor technology have been dielectric materials, for example SiO 2 , SiN x , SiON or metallic oxides (TiO x , Al 2 O 3 ), which can be used as bandpass filters or bandpass filters. Dielectrics are applied technically in a separate process only after the epitaxy.

Von Lin/Wu/Jou/Chang/Lee/Tsai wurde in Electronics Letters 13. Oktober 1994, Vol. 30, No. 21 S. 1793 f. eine λ/4-Schicht aus Indium-Tin Oxide (ITO) vorgestellt, deren Brechungsindex deutlich unter dem von Halbleiter­ materialien liegt und somit die Reflexion positiv beeinflußt. ITO-Schichten weisen außerdem eine sehr gute Leitfähigkeit auf, wodurch sie für LEDs mit einer Kontaktfläche auf der Lichtaustrittsoberfläche anwendbar sind und zusätzlich die Stromausbreitung verbessern, was später noch erläutert werden soll. ITO-Schichten sind jedoch aufgrund des hohen Materialpreises und des Fertigungsaufwandes aus Kostengründen ungeeignet.Lin / Wu / Jou / Chang / Lee / Tsai became 13th in Electronics Letters. October 1994, Vol. 30, No. 21 p. 1793 f. a λ / 4 layer made of indium tin oxide (ITO), whose refractive index is significantly lower than that of semiconductors materials and thus has a positive influence on the reflection. ITO layers also have very good conductivity, which makes them suitable for LEDs  a contact surface on the light exit surface are applicable and additionally improve the current spread, which will be explained later shall be. However, ITO layers are due to the high material price and the manufacturing effort unsuitable for cost reasons.

Neben transparenten Einfachschichten, die jedoch ein periodisches Frequenzverhalten aufweisen, sind auch Systeme mit mehreren Schichten bekannt. Die physikalischen Grundprinzipien sind von Born/Wolf: Principles of Optices - Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Dif­ fraction of Light, Pergamon Press, 5. Aufl. 1975, insb. S. 64 bis 69 behandelt worden. Wie bei Weißmantel/Hamann auf S. 716 f. zu entnehmen, erhöht sich durch Mehrfachschichtanordnung jedoch im allgemeinen die Reflexion in einem vorbestimmbaren Frequenzbereich, so daß reflektierende Systeme mit einer Bandfiltercharakteristik entstehen.In addition to transparent single layers, which are periodic Systems with multiple layers also exhibit frequency behavior known. The basic physical principles are from Born / Wolf: Principles of Optices - Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and Dif fraction of Light, Pergamon Press, 5th ed. 1975, esp. pp. 64 to 69 been. As with Weißmantel / Hamann on p. 716 f. inferred increased However, reflection is generally caused by a multilayer arrangement in a predeterminable frequency range, so that reflective systems arise with a band filter characteristic.

Diese gerade entgegengesetzt der beabsichtigen Herabsetzung der Reflexionen wirkenden Schichtenanordnungen werden als Bragg-Reflek­ toren bezeichnet und insbesondere bei LEDs an der Grenze zum absorbie­ renden Substrat eingesetzt, um den sonst in das Substrat wirkungslos ent­ weichenden Energieanteil zurückzulenken, wie bspw. der US 5565694, der JP 07176788 oder der EP 473362 sowie bspw. der Publikation von Baets/Deme­ ester/Lagasse in Journal Appl. Phys. 62 (2), 15 July 1987 zu entnehmen ist.This just contrary to the intended reduction in the Layer arrangements that act as reflections are called Bragg reflections referred to as gates and in particular with LEDs at the limit of absorption renden substrate used to ent otherwise ineffective in the substrate to deflect the soft energy portion, such as US 5565694, the JP 07176788 or EP 473362 and for example the publication by Baets / Deme ester / Lagasse in Journal Appl. Phys. 62 (2), 15 July 1987.

Der EP 0 349 193 ist eine dielektrische Mehrschichtanordnung mit λ/4- Schichten abwechselnden Brechungsindizes zu entnehmen. Vorteil der di­ elektrischen Materialien sind die relativ hohen Brechungsindexunterschiede und die elektrische isolierende Wirkung, da diese Schichtanordnungen seitlich an der Facette von Lasern angeordnet werden. Leitfähige Materialien würden die optisch aktiven Schichten des Lasers, insbesondere den pn-Übergang überbrücken. Die seitliche Facettenanordnung dieser Schichten ist nicht geeignet epitaktisch integrierbar, was den Aufwand ver­ vielfacht.EP 0 349 193 is a dielectric multilayer arrangement with λ / 4- Layers of alternating refractive indices. Advantage of di electrical materials are the relatively high refractive index differences and the electrical insulating effect since these layer arrangements be arranged on the side of the facet of lasers. Conductive Materials would be the optically active layers of the laser, in particular bridge the pn junction. The side facet arrangement of this Layers are not suitable to be integrated epitaxially, which reduces the effort multiple.

Die GB 2 134 282 zeigt dielektrische Schichten auf einem Substrat mit niedrigem Brechungsindex, wie Glas, Saphir oder Plastik zur Entspiegelung des von außen auftreffenden Lichts. GB 2 134 282 shows dielectric layers on a substrate low refractive index, such as glass, sapphire or plastic for anti-reflective treatment of the light coming from outside.  

Isolierende Schichten, insbesondere die nach dem Stand der Technik bekannten Oxidschichten, sind jedoch für die Lichtaustrittsfläche auf der Oberseite lichtemittierender Halbleiterdioden ungeeignet, sofern diese auch wie üblich von oben kontaktiert werden. Die Fertigung solcher Schichten ist außerdem aufwendiger.Insulating layers, especially those according to the prior art known oxide layers, but are for the light exit surface on the The top of light-emitting semiconductor diodes is unsuitable, provided that this can also be contacted from above as usual. The manufacture of such Layering is also more complex.

Um die Lichtleistung derartiger Halbleiterdioden weiter zu verbessern, ist außerdem bekannt, die laterale Stromausbreitung von dem Kontakt auf der Halbleiteroberfläche hin zu der aktiven Zone im Halbleitermaterial zu verbessern. Grundsätzlich ist die Stromdichte direkt unter der Kontaktfläche immer am höchsten. Da jedoch die Kontaktfläche auch als reflektierende Blende für das freigesetzte Licht wirkt, ist eine gute Stromverteilung auch in den nicht von der Kontaktfläche verdeckten Bereichen der aktiven Zone anzustreben.In order to further improve the light output of such semiconductor diodes, also known the lateral current spread from the contact on the Semiconductor surface to the active zone in the semiconductor material improve. Basically, the current density is directly below the contact area always the highest. However, since the contact surface is also considered reflective Aperture for the released light acts, a good current distribution is also in the areas of the active zone not covered by the contact surface to strive for.

Eine mögliche Lösung für LEDs wird in der EP 0 434 233 B1 dargestellt, indem eine relativ dicke transparente Fensterschicht mit gegenüber der aktiven Schicht geringem spezifischen Widerstand zwischen Ausgangs- und Wirk­ fläche angeordnet wird. Die EP 0 551 001 A1 zeigt den dabei entstehenden Effekt der quasi kegelförmig zunehmenden Stromausbreitung besonders anschaulich. Die EP 0 434 233 B1 gibt die erforderliche Dicke einer derartigen Fensterschicht mit 2 bis 30 µm an. Auch aus dem Artikel von Sugawara/Itaya/ Ishikawa/Hatakoshi in Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 31 (1992), S. 2446-2451 ist ein sogenannter "current spreading layer" von 7 µm Dicke (vgl. S. 2449) sowie in Fig. 4 des Artikels die Verbesserung der Lichtausbeute deutlich zu ent­ nehmen. Von Huang/Yu/Kuo/Fletcher/Osentowski/Stinson/Craford in Appl. Phys. Letters 61 (9), 31. August 1992, S. 1045 ff. ist ebenso eine dicke Fenster­ schicht zur Stromverteilung zu entnehmen, wobei in diesem Artikel eine Dicke von 15 bis 45 µm angegeben wird.A possible solution for LEDs is presented in EP 0 434 233 B1 by arranging a relatively thick transparent window layer with a low specific resistance compared to the active layer between the output and active surfaces. EP 0 551 001 A1 shows the resulting effect of the quasi-conically increasing current spreading particularly clearly. EP 0 434 233 B1 specifies the required thickness of such a window layer with 2 to 30 μm. Also from the article by Sugawara / Itaya / Ishikawa / Hatakoshi in Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 31 (1992), pp. 2446-2451 is a so-called "current spreading layer" with a thickness of 7 µm (see p. 2449) and in FIG. 4 of the article the improvement in the luminous efficiency can be clearly seen. By Huang / Yu / Kuo / Fletcher / Osentowski / Stinson / Craford in Appl. Phys. Letters 61 (9), August 31, 1992, pp. 1045 ff. Also show a thick window layer for current distribution, a thickness of 15 to 45 μm being specified in this article.

Wesentlicher Nachteil dieser dicken Fensterschichten ist die gegenüber den aktiven Schichten (Dicke < 1 µm) erhebliche Dicke der Schicht, was zu einem hohen Materialaufwand und bei herkömmlichen Maschinen zu einer sehr langen Epitaxiezeit führt. Durch entsprechend aufwendige und teure Maschinen kann die Epitaxiezeit, nicht jedoch die Kosten gedrückt werden.The main disadvantage of these thick window layers is that compared to active layers (thickness <1 µm) considerable thickness of the layer, resulting in a high cost of materials and a lot with conventional machines long epitaxial time. Through correspondingly complex and expensive Machines can push the epitaxial time, but not the cost.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleiterdiode mit verbesserter Licht­ leistung vorzustellen, die kostengünstig und verfahrenstechnisch einfach herstellbar ist. The object of the invention is to provide a semiconductor diode with improved light to present performance that is inexpensive and technically simple can be produced.  

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved.

Im Gegensatz zu dielektrischen Materialien sind λ/4-Schichten aus halb­ leiten dem Material für oberflächenkontaktierte Leuchtdioden anwendbar, da sie elektrisch leitfähig sind. Sie werden parallel zur aktiven Zone bzw. der Lichtaustrittsgrenzfläche angeordnet, also zwischen dem Kontakt auf der Oberfläche und den tieferliegenden Halbleiterschichten. Außerdem lassen sich diese Halbleiterschichten epitaktisch aufbringen, wodurch der Wechsel zu anderen Maschinen für dielektrische Materialien entfällt. Bisher wurden Halbleitermaterialien vor allem deshalb nie in Betracht gezogen, da ihr Brechungsindex relativ hoch ist, so daß der Brechungsindexunterschied eines Schichtpaares relativ gering ist. Dies kann jedoch erfindungsgemäß da­ durch behoben werden, daß entsprechend viele Schichtpaare übereinander verwendet werden.In contrast to dielectric materials, λ / 4 layers are made of half conduct the material for surface-contacting light-emitting diodes, because they are electrically conductive. They become parallel to the active zone or the Light exit interface arranged, that is between the contact on the Surface and the underlying semiconductor layers. Let also these semiconductor layers are deposited epitaxially, causing the change to other machines for dielectric materials. So far Semiconductor materials especially never considered because of you Refractive index is relatively high, so the refractive index difference of a pair of layers is relatively small. However, this can be done according to the invention be remedied by correspondingly many pairs of layers on top of each other be used.

Durch Abscheidung von wenigstens einem, vorzugsweise mehreren Paaren aus einer ersten und einer zweiten Schicht, die beide jeweils eine optische Dicke von einem Viertel der Wellenlänge (oder einem ungeradzahlig Viel­ fachen davon) der in der aktiven Zone emittierten Lichtwellen aufweisen und deren Brechungsindizes sich in der vorgegebenen Reihenfolge zu den Brechungsindizes der angrenzenden Stoffe befinden, kann durch destruk­ tive Interferenz eine Herabsetzung der insgesamt wirksamen Reflexion und eine Erhöhung der wirksamen Lichtleistung erzielt werden.By separating at least one, preferably several, pairs a first and a second layer, both of which are optical Thickness of a quarter of the wavelength (or an odd number times) of the light waves emitted in the active zone and their refractive indices in the order given Refractive indices of the adjacent substances can be found through destruc tive interference a reduction in the overall effective reflection and an increase in the effective light output can be achieved.

Die an der Grenzfläche zum ersten Stoff reflektierten Lichtwellen werden durch die innerhalb der Schichtanordnung entstehenden, genau gegen­ phasig reflektierten Wellen durch destruktive Interferenz ausgelöscht. Schon hierbei wird deutlich, daß die Reihenfolge der Schichten zwingend ist, da im anderen Falle die innerhalb der Schichtenanordnung reflektierten Wellen phasengleich zu den an der Grenzfläche reflektiert werden und es so zur konstruktiven statt zur destruktiven Interferenz kommt. Werden die Relationen der Brechungsindizes nicht eingehalten, so kommt es zu einem schlechteren, den Bragg-Reflektoren entsprechenden Reflexionsverhalten. Durch mehrere Paare verbessert sich die Reflektivität bis zu einem Punkt, an dem die Reflexion der Schichtanordnung an sich gegenüber den Reflexionen an der Grenzfläche zu groß wird.The light waves reflected at the interface with the first substance become due to the resulting within the layer arrangement, exactly against phase reflected waves extinguished by destructive interference. This already shows that the order of the layers is mandatory is, because in the other case those reflected within the layer arrangement Waves are in phase with those reflected at the interface and so there is constructive rather than destructive interference. Will the Relationships of the refractive indices are not observed, so there is a poorer reflection behavior corresponding to the Bragg reflectors. With several pairs the reflectivity improves up to a point which the reflection of the layer arrangement itself compared to the Reflections at the interface becomes too large.

Neben einer den paarweisen Schichten entsprechenden geradzahligen Anzahl von Schichten kann unter den Schichtpaaren auch noch eine einzelne, weitere λ/4-Schicht mit niedrigerem Brechungsindex eingefügt werden, wodurch sich die Reflektivität der Schichtanordnung entsprechend gegenüber der reinen Schichtanordnung erhöht, was zu einer Verringerung der Gesamtreflexion führt, solange die Amplitude des von der Schichtanordnung reflektierten Lichts kleiner ist als der Lichtanteil, der von der Lichtaustrittsgrenzfläche reflektiert wird.In addition to an even number corresponding to the paired layers The number of layers can also be one among the layer pairs single additional λ / 4 layer with lower refractive index inserted  be, whereby the reflectivity of the layer arrangement accordingly compared to the pure layer arrangement, which leads to a Reduction in total reflection results as long as the amplitude of the Layer arrangement of reflected light is smaller than the proportion of light emitted by the light exit interface is reflected.

Werden die Anzahl der Paare in der Schichtanordnung bzw. der Brechungs­ indexunterschied zwischen der ersten und zweiten λ/4-Schicht genau so gewählt, daß die Reflexion, also die Amplitude des jeweils insgesamt reflektierten Lichtes, der Schichtanordnung mit der der Grenzfläche möglichst genau übereinstimmt, so löscht sich die Reflexion an der Grenzfläche theoretisch vollständig aus. Eine einzelne zusätzliche λ/4-Schicht mit niedrigerem Brechungsindex ermöglicht eventuell eine noch bessere Annäherung an das Optimum.Will the number of pairs in the stratification or the refraction index difference between the first and second λ / 4 layer exactly the same chosen that the reflection, that is, the amplitude of the total reflected light, the layer arrangement with that of the interface matches as closely as possible, the reflection on the Theoretically, interface completely. A single additional λ / 4 layer with a lower refractive index may enable an even better one Approaching the optimum.

Eine Begrenzung der Anzahl der Schichtpaare ergibt sich sinnvoller Weise auch durch den sich mit der Schichtenzahl langsam erhöhenden elektrischen Widerstand, wenngleich dieser bei den Halbleiterschichten um Größenordnungen geringer ist als bei den isolieren den Oxidschichten gemäß dem Stand der Technik.It is sensible to limit the number of layer pairs also due to the slowly increasing number of layers electrical resistance, although this in the semiconductor layers Orders of magnitude less than with the insulating oxide layers according to the state of the art.

Durch Verwendung der gleichen atomaren Grundbestandteile in den λ/4- Schichten der Schichtanordnung wie in den übrigen Schichten lassen sich diese Schichtenanordnungen fertigungstechnisch sehr gut in den Epitaxieprozeß der Halbleiterschichten, bspw. bei der LED-Fertigung, integrieren, da keine zusätzlichen Chemikalien zugeführt werden müssen. MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy)-Verfahren ermöglichen die erforderliche Genauigkeit der Schichtdicke. Der Verzicht auf Oxide und die Beschränkung auf Halbleiter vermeidet auch die mit der Oxidation verbundenen Nachteile.By using the same basic atomic components in the λ / 4- Layers of the layer arrangement as in the other layers can be these layer arrangements are very good in terms of production technology Epitaxial process of the semiconductor layers, for example in LED production, integrate, since no additional chemicals have to be added. MOVPE (metal organic vapor phase epitaxy) processes enable the required accuracy of the layer thickness. The waiver of oxides and the Restricting to semiconductors also avoids oxidation associated disadvantages.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist dem Anspruch 6 zu entnehmen, die gleichzeitig zur Herabsetzung der Reflexion in über­ raschend einfacher Weise auch die laterale Stromausbreitung deutlich verbessert.A particularly preferred development of the invention is claim 6 inferred that at the same time to reduce reflection in over The lateral current spread is surprisingly simple improved.

Aus der Theorie der Festköperphysik, bspw. aus Ibach/Lüth: Festkörper­ physik - Einführung und Grundlagen, 4. Aufl. 1995 Springer Verlag, S. 368 ff., insb. S. 372 f. und S. 374, ist die Entstehung einer Anreicherungszone für Majoritätsladungsträger in der Heterogrenzfläche zwischen zwei Halb­ leiterschichten unterschiedlichen Materials oder Materialmischungs­ verhältnisses zu entnehmen. Voraussetzung ist letztlich ein durch die unter­ schiedlichen Materialien ergeben der unterschiedlicher Bandabstand, so daß es bei Einhaltung der Kontinuitätsbedingung des Fermi-Niveaus auf der Seite der Halbleiterschicht mit geringerem Bandabstand zu einer Banddis­ kontinuität und einer Anreicherungsraumladungszone der Majoritätsla­ dungsträger kommt. Für die Anwendung zur Stromausbreitung ist dabei eine möglichst große Banddiskontinuität im Majoritätsladungsträgerband von Vorteil, da die entstehende Anreicherungsraumladungszone eine ent­ sprechend große Menge an Majoritätsladungsträgern als quasi freies Elektronengas enthält. Als vorteilhafter Effekt für die Stromausbreitung erweist sich dabei, daß die Anreicherungsraumladungszone sich über die gesamte Heterogrenzfläche zwischen den zwei Halbleiterschichten aus­ bildet und bei entsprechend großer Banddiskontinuität es so zu einer sehr guten zweidimensionalen Beweglichkeit der Majoritätsladungsträger kommt, was von Ibach/Lüth auch als zweidimensionales Elektronengas (vgl. Ibach/Lüth, S. 374: Ansatz waren dabei zwei unterschiedliche, n = dotierte Halbleitermaterialien) bezeichnet wird.From the theory of solid-state physics, for example from Ibach / Lüth: Solid physics - introduction and basics, 4th edition 1995 Springer Verlag, p. 368 ff., esp. p. 372 f. and p. 374, is the emergence of an enrichment zone for Majority carriers in the hetero-interface between two halves conductor layers of different materials or material mixtures  relationship. Ultimately, a requirement is given by the below different materials result in the different band gap, so that it while observing the continuity condition of the Fermi level on the Side of the semiconductor layer with a smaller band gap to a band dis continuity and an enrichment space charge zone of the majority la manure carrier is coming. For the application to spread electricity is included the greatest possible discontinuity in the majority carrier band of advantage, since the resulting enrichment space charge zone ent speaking large amount of majority load carriers as quasi free Contains electron gas. As an advantageous effect for the spread of electricity it turns out that the enrichment space charge zone over the entire hetero-interface between the two semiconductor layers forms and with a correspondingly large disc discontinuity it becomes a very good two-dimensional mobility of the majority carriers comes what Ibach / Lüth also as two-dimensional electron gas (cf. Ibach / Lüth, p. 374: The approach was two different ones, n = endowed Semiconductor materials) is called.

Wird die Banddiskontinuität im Majoritätsladungsträgerband (für p-dotierte Halbleiterschichten das Valenzband, für n-dotierte das Leitungsband ) sehr gering oder gar annähernd Null, so kann aufgrund der geringen oder ganz fehlenden Diskontinuität auch keine ausreichende Anreicherung der Majoritätsladungsträger erfolgen. Die sich dabei ergebende Anreicherung der Minoritätsladungsträger ist wesentlich geringer, wenngleich eine Wirkung im Grundsatze auch da auftritt.If the band discontinuity in the majority carrier band (for p-doped Semiconductor layers the valence band, for n-doped the conduction band) very much low or almost zero, because of the low or total lack of discontinuity also insufficient enrichment of the Majority load carriers take place. The resulting enrichment the minority charge carrier is much lower, although one Effect in principle also occurs there.

Die Effekte des zweidimensional frei beweglichen Elektronengases werden jedoch, wie auch aus dem Lehrbuch der Experimentalphysik von Bergmann/­ Schaefer, Bd. 6 - Festkörper Hrsg. Raith, Verlag Walter de Gruyter 1992 auf S. 564 deutlich wird, bisher nur in der aktiven Schicht von LEDs zur Erzielung sogenannter Potentialtöpfe auf Basis von Quanteneffekten eingesetzt, insbesondere für Multiple-Quantum-Well-Strukturen oder, wie von Ibach/­ Lüth auf S. 373 f. beschrieben, als modulationsdotierte Heteroübergänge, jedoch wiederum in der aktiven Schicht. Hier wird nicht die hohe Beweg­ lichkeit des zweidimensionalen Elektronengases genutzt. Die Verwendung von Quantenfilmen dient zur Modifizierung der Zustandsdichte und bietet die Möglichkeit, daß Material pseudomorph (verspannt) herzustellen, was insbesondere in Laserdioden vorteilhaft eingesetzt werden kann, wie aus Geng, Christian: Spontane Mischkristallordnung in AlGaInP - Laserstrukturen, Shaker Verlag Aachen, 1997, Kap. 6, S. 95 ff. entnommen werden kann.The effects of the two-dimensionally freely moving electron gas are however, as also from the textbook of experimental physics by Bergmann / Schaefer, Vol. 6 - Solid Edited by Raith, Verlag Walter de Gruyter 1992 on p. 564 is clear, so far only to be achieved in the active layer of LEDs so-called potential pots based on quantum effects, especially for multiple quantum well structures or as described by Ibach / Lüth on p. 373 f. described as modulation-doped heterojunctions, however again in the active layer. Here is not the high moving the two-dimensional electron gas. The usage of quantum films serves to modify the density of states and offers the possibility of making the material pseudomorphic (braced) what can be used particularly advantageously in laser diodes, such as from  Geng, Christian: Spontaneous mixed crystal order in AlGaInP - laser structures, Shaker Verlag Aachen, 1997, chap. 6, p. 95 ff.

Zur Verbesserung der Stromausbreitung jedoch sind diese weitergehenden Effekte ohne Bedeutung und entsprechende Maßnahmen, wie die gezielte Wahl der Dotierungsmengen oder der geeigneten Bandabstände der zwei Halbleiterschichten nicht unbedingt erforderlich, wenngleich für die Wirk­ samkeit positiv. Die Dotierung kann grundsätzlich sowohl isotyp als auch verschieden (p-n, p-i-n) sein. Der Effekt eines zweidimensionalen Elektronen­ gases wird von Delagebeaudeuf/Linh: IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-29, No. 6, June 1982, S. 955 ff. auch für pn-Heteroübergänge bei sogenannten TEG (two-dimensional electron gas)-Fet nachgewiesen und deren Rauscharmut herausgestellt. Wie daraus für sogenannte HEMT (high electron mobility transistors) nachgewiesen wurde, kann die Beweglichkeit der Ladungsträger durch einen i-n Heteroübergang sogar noch verstärkt werden, wobei das intrinsische Material den kleineren Bandabstand aufweisen muß. Würde das intrinsische Material mit höherem Bandabstand als das n-dotierte gewählt, kommt es zu keiner Anreicherungszone der Majoritätsladungsträger, wie anhand des bekannten Bändermodells nachvollzogen werden kann. Auch hier bei den HEMT wurde letztlich einzig der Aspekt des verbesserten Frequenzverhaltens dieser Transistoren untersucht und die laterale Stromausbreitung ist ohne Bedeutung. Heterogrenzschichtfolgen mit isotyper Dotierung und hoher Diskontinuität im Majoritätsladungsträgerband weisen eine sehr gute laterale Stromausbreitung auf.To improve the spread of electricity, however, these are more extensive Effects without meaning and appropriate measures, such as the targeted Choice of the doping amounts or the suitable bandgaps of the two Semiconductor layers are not absolutely necessary, although for the active totality positive. Funding can in principle be both isotypic and be different (p-n, p-i-n). The effect of a two-dimensional electron gases is operated by Delagebeaudeuf / Linh: IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-29, No. 6, June 1982, pp. 955 ff. Also for pn heterojunctions so-called TEG (two-dimensional electron gas) fat detected and their low noise level is highlighted. As from this for so-called HEMT (high electron mobility transistors) has been demonstrated, mobility the charge carrier even reinforced by an i-n heterojunction be, the intrinsic material the smaller bandgap must have. Would the intrinsic material with higher bandgap chosen as the n-doped, there is no enrichment zone of the Majority load carriers, as with the well-known belt model can be traced. Here at HEMT, too, was ultimately the only one the aspect of the improved frequency response of these transistors examined and the lateral current propagation is irrelevant. Hetero-boundary layer sequences with isotropic doping and high discontinuity in the majority charge carrier band show a very good lateral Current spread on.

Durch eine Anordnung mehrerer solcher Heterogrenzflächen hinterein­ ander wird die Stromausbreitung verbessert. Vorteilhaft ist auch hierbei der besondere Effekt eines solchen sogenannten Übergitters, wie von Ibach/Lüth auf S. 374 für die modulationsdotierten Heterostrukturen benannt, wodurch sich die Anzahl der Anreicherungsraumladungszonen der Majoritätsladungsträger um den Faktor 2n-1 (n - Anzahl der Schichtpaare) erhöht, da bspw. eine oben und unten von je einer Halbleiterschicht größeren Bandabstandes umgebene Halbleiterschicht sowohl auf ihrer Ober- als auch auf ihrer Unterseite eine solche Anreicherungsraumladungs­ zone der Majoritätsladungsträger aufweist. Die Stromausbreitung und damit die Leuchtleistung wird durch eine Abfolge solcher Heterogrenzschicht­ folgen wirkungsvoll verbessert. Eine Abfolge solcher Heterogrenzschicht­ folgen entsteht bereits durch die entsprechende Materialgestaltung der für die Reflexionsverminderung eingesetzten Schichten, indem alle diese Schichten auch entsprechend der erforderlichen Banddiskontinuität ge­ wählt und somit eine Herabsetzung der Reflexion und eine verbesserte Stromausbreitung gleichzeitig mit einer Schichtenfolge erzielt werden.By arranging several such hetero-interfaces behind one another otherwise the current spread is improved. The is also advantageous here special effect of such a so-called superlattice, such as from Ibach / Lüth on p. 374 for the modulation-doped heterostructures named, whereby the number of enrichment space charge zones of the Majority charge carriers by a factor of 2n-1 (n - number of layer pairs) increased, for example one at the top and one at the bottom of a semiconductor layer larger band gap surrounding semiconductor layer both on their Such an enrichment space charge on the top and on its underside zone of majority carriers. The spread of electricity and thus the luminous power is determined by a sequence of such a heterojunction layer follow effectively improved. A sequence of such heterogeneous boundary layers follow already arises from the appropriate material design for  the reflection reduction layers used by all of these Layers also ge according to the required tape discontinuity chooses and thus a reduction in reflection and an improved Current spread can be achieved simultaneously with a layer sequence.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert.The invention is described below using exemplary embodiments and Figures explained in more detail.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

Fig. 1 Ausführungsbeispiel einer Leuchtdiode mit einer Schicht­ anordnung zur Herabsetzung der Reflexion, Fig. 1 embodiment, a light emitting diode with a layer arrangement for reducing the reflection,

Fig. 2a Brechungsindexverlauf im Bereich der Schichtanordnung gemäß dem Stand der Technik mit Oxidmaterialien, FIG. 2a refractive index profile in the region of the layer arrangement according to the prior art with oxide materials,

Fig. 2b Brechungsindexverlauf bei Schichtanordnung aus halbleitenden Materialien, Fig. 2b refractive index curve at stack of semiconductor materials,

Fig. 3 Verlauf der Reflexion der Schichtanordnung gemäß Fig. 2 in einer Auflösung von 0 bis 40 Schichtpaaren, Fig. 3 the course of the reflection of the layer arrangement shown in FIG. 2 in a resolution from 0 to 40 layer pairs,

Fig. 4 Reflexion in Abhängigkeit von der Wellenlänge bei einer unter­ schiedlichen Anzahl von Schichtpaaren an der Grenzfläche zu Luft, Fig. 4 reflection as a function of wavelength at a difference considerable number of layer pairs in the air interface,

Fig. 5 Stromausbreitung und Bändermodell bei Verwendung von Materialien mit Banddiskontinuität, Fig. 5 and current spreading band model when using materials with a band discontinuity,

Fig. 6 Details der Stromausbreitung und Banddiskontinuität aus Fig. 5, Fig. 6 shows details of current spreading and band discontinuity of FIG. 5,

Fig. 7 Detailansichten der verschiedenen möglichen Schichtanord­ nungen mit und ohne zusätzliche einzelne λ/4-Schicht. Fig. 7 detailed views of the various possible layer arrangements with and without additional individual λ / 4 layer.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Halbleiterdiode mit einer Schicht­ anordnung 1, bestehend aus einer Vielzahl von Paaren aus einer ersten λ/4- Schicht 1.hi mit hohem Brechungsindex und auf dieser eine zweite λ/4- Schicht 1.lo mit niedrigerem Brechungsindex. Die Paare sind dabei so angeordnet, daß die Schichten immer wechseln und auf der tieferliegenden Halbleiterschicht 2 mit hohem Brechungsindex zunächst die erste λ/4- Schicht 1.hi mit ebenfalls hohem Brechungsindex angeordnet ist. An der Lichtaustrittsgrenzfläche 9 befindet sich die letzte λ/4-Schicht 1.lo mit niedrigem Brechungsindex. Die Abscheidung dieser λ/4-Schichtdicken bzw. ungeradzahlig Vielfacher von λ/4 kann bspw. mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) zuverlässig erfolgen. Neben der λ/4-Schicht sind als Dicke natürlich auch ungeradzahlig Vielfache davon, also jede 3λ/4-, 5λ/4- . . . Schicht wirkungsgleich. Fig. 1 shows a section through a semiconductor diode with a layer arrangement 1 , consisting of a plurality of pairs of a first λ / 4 layer 1 .hi with a high refractive index and on this a second λ / 4 layer 1 .lo with a lower Refractive index. The pairs are arranged in such a way that the layers always change and the first λ / 4 layer 1 .hi with likewise high refractive index is arranged on the lower-lying semiconductor layer 2 with a high refractive index. The last λ / is located on the light exit boundary surface 9 4-1 .lo layer with low refractive index. These λ / 4 layer thicknesses or odd multiples of λ / 4 can be deposited reliably, for example, by means of organometallic gas phase epitaxy (MOVPE). In addition to the λ / 4 layer, the thickness is of course also an odd multiple of it, i.e. every 3λ / 4-, 5λ / 4-. . . Layer with the same effect.

Unter der Schichtanordnung 1 befindet sich ggfs. eine Fensterschicht 2 zum Übergang auf eine neue Gitterkonstante, die obere Mantelschicht 3 der LED, die aktive Zone 4, die untere Mantelschicht 5 sowie ein Bragg-Reflektor 6 bestehend aus einer Abfolge von λ/4-Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex. Darunter ist das Halbleitersubstrat 7 angeordnet, dessen Unterseite als Kontakt 8 metallisch beschichtet ist. Die Lichtaustritts­ grenzfläche 9 liegt zwischen den λ/4-Schichten und dem äußeren Stoff 11 mit niedrigem Brechungsindex, der entweder die Luft direkt oder bspw. eine lichtdurchlässige Epoxid- oder Silikonmasse als Hülle sein kann.Under the layer arrangement 1 there is possibly a window layer 2 for the transition to a new lattice constant, the upper cladding layer 3 of the LED, the active zone 4 , the lower cladding layer 5 and a Bragg reflector 6 consisting of a sequence of λ / 4 layers with different refractive index. Below this is the semiconductor substrate 7 , the underside of which is metallically coated as contact 8 . The light exit interface 9 lies between the λ / 4 layers and the outer material 11 with a low refractive index, which can either be the air directly or, for example, a translucent epoxy or silicone compound as a shell.

In Fig. 1 handelt es sich als Ausführungsbeispiel um eine AlGaInP-LED- Anordnung, die gitterangepaßt auf einem GaAs-Substrat (7) abgeschieden wurden. Angrenzend an das Substrat befindet sich die Reflexionsschicht 6, der sogenannte Bragg-Reflektor aus abwechselnden (AlxGa1-x)As-Schichten mit n-Dotierung verschiedener Komposition. Die einzelnen Schichten des Bragg-Reflektors sind jeweils λ/4-dick, wobei λ die Wellenlänge des emittierten Lichts im jeweiligen Medium ist, so daß es zu einer Reflexion des in Richtung des Substrats abgestrahlten Lichtanteils kommt. Dieser Effekt wird von Murtaza u. a. in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 31, no. 10, Oct. 1995, S. 1819 ff. grundlegend beschrieben.In Fig. 1 it is an exemplary embodiment of an AlGaInP LED arrangement, which were deposited on a GaAs substrate ( 7 ) in a lattice-matched manner. Adjacent to the substrate is the reflection layer 6 , the so-called Bragg reflector made of alternating (Al x Ga 1-x ) As layers with n-doping of different compositions. The individual layers of the Bragg reflector are each λ / 4 thick, where λ is the wavelength of the emitted light in the respective medium, so that there is a reflection of the light component emitted in the direction of the substrate. This effect is described by Murtaza and others in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 31, no. 10, Oct. 1995, p. 1819 ff.

Die untere Mantelschicht 5 der LED besteht aus gitterangepaßtem (AlyGa1-y)InP, welches ebenfalls n-dotiert ist. Die Komposition y wird so gewählt, daß der Bandabstand bzw. die Energielücke der Mantelschicht 5 höher als die der aktiven Zone 4 bzw. des emittierten Lichtes ist, um für dieses quasi durchlässig zu sein. Die aktive Zone 4 selbst ist in diesen Ausführungsbeispiel undotiert und kann aus einer einzelnen Schicht aus (AlzGa1-x)InP oder aus (AlaGa1-a)InP-Quantenfilmen mit (AlbGa1-b)InP-Barrieren bestehen, wobei 0 ≦ a ≦ b ≦ 1 gilt. Darauf befindet sich die obere Mantelschicht 3 aus gitterangepaßtem (AlyGa1-y)InP mit höherem Bandabstand als die aktive Zone 4 vergleichbar der unteren Mantelschicht 5, jedoch p-dotiert.The lower cladding layer 5 of the LED consists of lattice-matched (Al y Ga 1-y ) InP, which is also n-doped. The composition y is chosen so that the band gap or the energy gap of the cladding layer 5 is higher than that of the active zone 4 or of the emitted light, in order to be quasi transparent to it. The active zone 4 itself is undoped in this exemplary embodiment and can consist of a single layer of (Al z Ga 1-x ) InP or of (Al a Ga 1-a ) InP quantum films with (Al b Ga 1-b ) InP- Barriers exist, where 0 ≦ a ≦ b ≦ 1 applies. On top is the upper cladding layer 3 made of lattice-matched (Al y Ga 1-y ) InP with a higher band gap than the active zone 4, comparable to the lower cladding layer 5 , but p-doped.

Als spezielle Ausgestaltung der Schichtanordnung 1 ist aus p-dotiertem GaP gefolgt von AlP. Da dieses Materialsystem eine kleinere Gitterkonstante als GaAs bzw. (AlxGa1-x)InP besitzt, wird zunächst eine Übergangsschicht 2 aus GaP dünn aufgewachsen in der sich die neue Gitterkonstante einstellen soll. As a special configuration of the layer arrangement 1 , p-doped GaP is followed by AlP. Since this material system has a smaller lattice constant than GaAs or (Al x Ga 1-x ) InP, a transition layer 2 made of GaP is first grown thin in which the new lattice constant is to be set.

Dann wird die Schichtanordnung 1 in wechselnden paarweisen Schichten aus GaP und AlP, jeweils p-dotiert aufgebracht.Then the layer arrangement 1 is applied in alternating pairs of layers of GaP and AlP, each p-doped.

Die Fig. 2 ermöglicht einen Vergleich der verschiedenen Brechungs­ indexverläufe über eine Schichtanordnung gemäß dem Stand der Technik (Fig. 2a) mit einer erfindungsgemäßen Schichtanordnung (Fig. 2b). FIG. 2 enables a comparison of the different refractive index profiles over a layer arrangement according to the prior art ( FIG. 2a) with a layer arrangement according to the invention ( FIG. 2b).

Die Brechungsindizes sind für die tieferliegende Halbleiterschicht 3 etwa 3,5 in beiden Fällen, für die
The refractive indices for the deeper semiconductor layer 3 are about 3.5 in both cases for the

  • - in Fig. 2a gezeigten dielektrischen λ/4-Schichten 1.Hi (≈ 2,5) und 1.Lo (≈ 1,5)- λ / 4 dielectric layers 1 .Hi (≈ 2.5) and 1 .Lo (≈ 1.5) shown in FIG. 2a
  • - in Fig. 2b gezeigten halbleitenden λ/4-Schichten 1.Hi (≈ 3,35) und 1.Lo (≈ 3,275)- In Fig. 2b shown semiconducting λ / 4 layers 1 .Hi (≈ 3.35) and 1 .Lo (≈ 3.275)

sowie für den äußeren Stoff (Luft, Epoxid) jeweils mit rund 1 angedeutet. Der Verlauf in and for the outer material (air, epoxy) each indicated with around 1. The course in

Fig.Fig.

2a entspricht der Anti-Reflex-Schichtanordnung gemäß der EP 0 349 193, welche zwei Paare dielektrischer λ/4-Schichten aufweist. Die Brechungsindizes der beiden λ/4-Schichten sind dabei deutlich unter­ schiedlich. Demgegenüber weisen die halbleitenden λ/4-Schichten, wie in 2a corresponds to the anti-reflective layer arrangement according to FIG EP 0 349 193, which has two pairs of λ / 4 dielectric layers. The refractive indices of the two λ / 4 layers are clearly below different. In contrast, the semiconducting λ / 4 layers, as in

Fig.Fig.

2b gezeigt, beide relativ hohe und insbesondere weniger stark wechselnde Brechungsindizes auf. Die Abfolge der λ/4-Schichten gegenüber dem Halbleitersubstrat ist jedoch für dieses Ausführungsbeispiel grund­ legend gleich.2b, both relatively high and in particular less strong changing refractive indices. The sequence of the λ / 4 layers opposite the semiconductor substrate is, however, the reason for this exemplary embodiment laying right away.

GaP und AlP als Ausführungsbeispiel weisen einen Brechungsindexunter­ schied (≈ 0,075) auf, auch wenn dieser gegenüber dem bei dielektrischen Materialien (≈ 1,0) viel geringer ist. Deshalb werden entsprechend mehr Paare von λ/4-Schichten verwendet, deren Anzahl sich letztlich immer in Ab­ hängigkeit von den technisch real realisierbaren Brechungsindizes abhängt. Bei GaP auf AlxGa1-xP wären bspw. noch mehr Paare erforderlich.GaP and AlP as an exemplary embodiment have a refractive index difference (≈ 0.075), even if this is much smaller than that of dielectric materials (≈ 1.0). Therefore, more pairs of λ / 4 layers are used, the number of which ultimately always depends on the technically realizable refractive indices. With GaP on Al x Ga 1-x P, for example, even more pairs would be required.

Fig. 3 verdeutlicht den Verlauf der Reflexivion der Schichtanordnung in Abhängigkeit von der Schichtenanzahl. So wird die Anzahl von 0 bis 40 Schichtpaaren variert. Fig. 3 illustrates the course of the Reflexivion the layer arrangement depending on the number of layers. The number is varied from 0 to 40 pairs of layers.

Beim direkten Aufeinandertreffen des Halbleitermaterials (n ≈ 3,5) auf den äußeren Stoff (n ≈ 1) ist die Reflexion 30%. Die Funktion f1 verdeutlicht die zunehmende Reflexion der Schichtanordnung 1 ohne Berücksichtigung der Reflexion an der Lichtaustrittsgrenzfläche. Da jedoch die Reflexionen an der Schichtenanordnung 1 aufgrund der gewählten Reihenfolge der Schichten gegenphasig zum bisher an der Grenzfläche reflektierten Licht ist, wird die Gesamtreflexion, dargestellt als Funktion f3, verringert. Würde die Schicht­ reihenfolge falsch gewählt, entsteht das Reflexionsverhalten eines Bragg- Reflektors, daß mit dem in Funktion f2 gezeigten vergleichbar ist und bei dem sich f1 quasi auf die 30% Konstante addiert.When the semiconductor material (n ≈ 3.5) meets the outer material (n ≈ 1) directly, the reflection is 30%. The function f1 illustrates the increasing reflection of the layer arrangement 1 without taking into account the reflection at the light exit interface. However, since the reflections on the layer arrangement 1 are in phase opposition to the light previously reflected at the interface due to the selected sequence of the layers, the total reflection, represented as a function f3, is reduced. If the layer sequence were chosen incorrectly, the reflection behavior of a Bragg reflector would be comparable to that shown in function f2 and in which f1 would add up to the 30% constant.

Wählt man jedoch die Schichtenreihenfolge richtig (siehe Fig. 7a und 7b) und die Anzahl der Schichtpaare so groß, daß die Reflexion der Schicht­ anordnung der der Grenzfläche entspricht, so kann zumindest theoretisch die Reflexion auf Null gesenkt und die Transitivität folglich auf 100% gesteigert werden. Die Fig. 3 macht außerdem deutlich, daß eine weitere Erhöhung der Schichtenanzahl zu einer zunehmenden Verschlechterung der Reflexionseigenschaften führt, da nunmehr die Reflektivität der Schicht­ anordnung dominant wird. Die genaue Anzahl von Schichtpaaren, für die die Reflexion zu Null wird, ist selbstverständlich von den exakten Brechungsindexwerten von Halbleiter, den λ/4-Schichten und dem äußeren Stoff abhängig. So wurde bei einem äußeren Stoff aus Luft ein Optimum von 25 Schichtpaaren für AlP/GaP-λ/4-Schichten ermittelt, bei einer Epoxid- oder Silikonhülle ergaben 18 Schichtpaare das Optimum. Würden bspw. anstelle der Stoffe AlP und GaP in einem Fall ein AlxGa1-xP-Mischkristalle mit unterschiedlichen Kompositionen x verwendet, ändert sich die Optimalzahl wiederum leicht. So weist bspw. Al1Ga0P einen schlechteren elektrischen Widerstand als Al0.8Ga0.2P auf und könnt durch dieses ersetzt werden, wodurch nur geringfügig mehr Schichtpaare verwendet werden müßten.However, if the layer sequence is selected correctly (see FIGS. 7a and 7b) and the number of layer pairs is so large that the reflection of the layer arrangement corresponds to that of the interface, the reflection can at least theoretically be reduced to zero and the transitivity consequently increased to 100% will. Fig. 3 also makes it clear that a further increase in the number of layers leads to an increasing deterioration in the reflection properties, since now the reflectivity of the layer arrangement becomes dominant. The exact number of pairs of layers for which the reflection becomes zero depends, of course, on the exact refractive index values of semiconductors, the λ / 4 layers and the outer material. For an outer material made of air, an optimum of 25 layer pairs was determined for AlP / GaP-λ / 4 layers, for an epoxy or silicone shell, 18 layer pairs resulted in the optimum. If, for example, instead of AlP and GaP, an Al x Ga 1-x P mixed crystal with different compositions x were used in one case, the optimal number would change slightly. For example, Al 1 Ga 0 P has a poorer electrical resistance than Al 0.8 Ga 0.2 P and can be replaced by this, which means that only slightly more layer pairs would have to be used.

Fig. 4 zeigt ergänzend die wellenlängenselektive Abhängigkeit bei unter­ schiedlich vielen Schichtpaaren an der Grenzfläche zu Luft. So ergibt sich für die Anzahl a = 0 eine konstante Reflektivität von 30%, bei ca. 20 Schicht­ paaren eine deutliche Absenkung bei der Wellenlänge λs, bei 80 Schicht­ paaren jedoch eine deutliche Verschlechterung und Erhöhung. Außerdem ist in Fig. 4 das Verhalten auch für die von der Wellenlänge λs abweichen­ den Wellenanteile zu entnehmen. Die Dicke der λ/4-Schichten bestimmt dabei den Wellenlängenverlauf und die Lage von Wellenlänge λs. Fig. 4 additionally shows the wavelength-selective dependency with different numbers of layers at the interface with air. For the number a = 0 there is a constant reflectivity of 30%, with about 20 layers a significant reduction in the wavelength λ s , but with 80 layers a significant deterioration and increase. In addition, the behavior can also be seen in FIG. 4 for the wave components that deviate from the wavelength λ s . The thickness of the λ / 4 layers determines the wavelength curve and the position of wavelength λ s .

Wählt man die Materialien der λ/4-Schichten außerdem noch so, daß zwischen ihnen eine Banddiskontinuität mit einer Anreicherungszone der Majoritätsladungsträger entsteht, so kann neben der Reflektivität auch die Stromausbreitung deutlich verbessert werden. Dies soll anhand der Fig. 5 visualisiert werden. In Fig. 5a wurde eine Abfolge von λ/4-Schichtpaaren 1.hi/1.lo, bspw. AlP/GaP-Paaren, dargestellt, zwischen denen sich jeweils in einer λ/4-Schicht 1.lo an der Seite zur anderen λ/4-Schicht 1.hi eine Majori­ tätsladungsträgeranreicherung und damit ein Stromkanal 1.3 ausbildet. Die daraus über die Anzahl der Schichtpaare entstehende stufenförmige Strom­ ausbreitung i von der Austrittsfläche des Kontaktes 10 hin zu den tiefer­ liegen den Halbleiterschichten (2, 3, . . .), ist skizzenhaft angedeutet, wobei natürlich die Stromausbreitung im dreidimensionalen Raum der Hetero­ grenzflächenschichtfolge quasi kegelförmig erfolgt. Die unterschiedlichen Bandabstände können durch unterschiedliche Halbleitermaterialien (z. B. AlP/GaP) oder unterschiedliche Kompositionen, also Mischungsverhältnisse eines Mischkristalls (z. B. AlxGa1-xP/GaP) hervorgerufen werden.If one also selects the materials of the λ / 4 layers in such a way that a band discontinuity with an enrichment zone of the majority charge carriers arises between them, in addition to the reflectivity, the current spread can also be significantly improved. This is to be visualized using FIG. 5. FIG. 5a shows a sequence of λ / 4 layer pairs 1 .hi / 1 .lo, for example AlP / GaP pairs, between which there are each in a λ / 4 layer 1 .lo on the side to the other λ / 4 layer 1 .hi forms a majority charge carrier enrichment and thus forms a current channel 1.3 . The resulting step-like current spread i from the number of layers of layers from the exit surface of the contact 10 to the lower lying semiconductor layers ( 2 , 3 ,...) Is indicated sketchily, whereby of course the current spread in the three-dimensional space of the hetero interface layer sequence is quasi conical. The different band gaps can be caused by different semiconductor materials (e.g. AlP / GaP) or different compositions, i.e. mixing ratios of a mixed crystal (e.g. Al x Ga 1-x P / GaP).

Ladungsträger kommen somit in ein Gebiet sehr guter Leitfähigkeit (1.3), welches jeweils gefolgt wird durch ein Gebiet schlechterer Leitfähigkeit, so daß der Strom sich nicht geradlinig ausbreitet sondern seitlich abdriftet und so die Stromausbreitung erheblich verstärkt wird.Charge carriers thus come into an area of very good conductivity ( 1.3 ), which is followed in each case by an area of poor conductivity, so that the current does not spread in a straight line but drifts laterally, thus considerably increasing the current spread.

Fig. 5b verdeutlicht die unterschiedliche Leitfähigkeit, die zwischen einer sehr guten Leitfähigkeit Shigh in der Anreicherungszone und einer recht schlechten Leitfähigkeit Slow in den Verarmungsgebieten schwankt. Zwar kann die durchschnittliche mittlere Leitfähigkeit gegenüber einer gleich dicken einfachen Halbleiterschicht durch diese Abfolge sich leicht erhöhen, was jedoch bei entsprechend begrenzter Anzahl von Schichtpaaren bzw. Heterogrenzschichtfolgen vernachlässigbar ist. Demgegenüber entsteht durch die lokale, sich immer auf die gesamte Heterogrenzfläche erstreckende Erhöhung der Leitfähigkeit eine starke Aufspreizung der Stromaus­ breitung, die nur unwesentlich davon beeinflußt wird, ob sich eine Ver­ armungszone oder das Halbleitermaterial mit quasi mittlerer Leitfähigkeit anschließt. Aus Fig. 5c kann man im Bändermodell, bestehend aus dem Energieniveau des Valenzbandes EVB, des Fermi-Niveaus EF und des Leitungs­ bandes ELB, noch deutlicher die Abfolge von Anreicherungs- und Ver­ armungszonen erkennen. Beide Halbleiterschichten 1.hi und 1.lo sind in diesem Ausführungsbeispiel p-dotiert (Fermi-Niveau in der Nähe des Valenz­ bandes). Fig. 5b illustrates the different conductivity between a very good conductivity S high in the enrichment zone and a rather poor conductivity S Low in the depletion regions varies. Although this average sequence can slightly increase compared to a simple semiconductor layer of the same thickness, this sequence is negligible given a correspondingly limited number of layer pairs or heterogeneous layer sequences. In contrast, the local increase in conductivity, which always extends over the entire hetero interface, causes a strong spread of current spread, which is only marginally influenced by whether a depletion zone or the semiconductor material with quasi-medium conductivity is connected. From Fig. 5c can be seen in the band model, consisting of the energy level of the valence band E VB , the Fermi level E F and the conduction band E LB , the sequence of enrichment and depletion zones even more clearly. Both semiconductor layers 1 .hi and 1 .lo are p-doped in this exemplary embodiment (Fermi level in the vicinity of the valence band).

Fig. 6a zeigt im Detail (D1 in Fig. 5) noch einmal die Stromausbreitung an einer Heterogrenzschicht und Fig. 6b die entsprechende Diskontinuität des Bändermodells und die Majoritätsladungsträgeranreicherung (vergleichbar mit Detail D2 in Fig. 5). So wird in Fig. 6a die laterale Strom­ ausbreitung 4.6 innerhalb der Heterogrenzfläche der gestrichelt angedeu­ teten normalen Stromausbreitung (5.6) ohne den zweidimensionalen Strom­ kanal gegenübergestellt. Deutlich erkennbar ist dabei, daß sich auf der Seite der Heterogrenzfläche mit der Anreicherung von Majoritätsladungsträgern in unmittelbarer Nähe zur Heterogrenzfläche eine seitliche Stromdrift einstellt. Betrachtet man das Bändermodell gemäß Fig. 6b dazu, so wird die Diskontinuität der Majoritätsladungsträger, hier die Anreicherung der Elektronen bei n-dotierten Materialien deutlich. Bei p-dotierten Materialien, wie in den Fig. 1 bis 5 bisher beschrieben, wäre dies eine Anreicherung von Löchern im Valenzband, wie in D2 in Fig. 5c zu erkennen. Die Diskontinuität 6.6 kann dabei sogar das Fermi-Niveau (EF) erreichen und überschreiten, wodurch die Anzahl der freien Majoritätsladungsträger stark ansteigt. Jedoch bereits bei einer geringeren Diskontinuität kann eine laterale Stromausbreitung an der Heterogrenzfläche grundsätzlich be­ obachtet werden, wenn auch nicht so stark wie bei einem zweidimensional frei beweglichen Elektronengas. Die der Anreicherungszone 6.6 gegen­ überliegende Verarmungszone 7.6 hat keinen wesentlichen Einfluß auf die Stromausbreitung, erhöht letztlich nur geringfügig den Gesamtwiderstand der Schichtenfolge. Die Schichtanordnung 1 weist somit sowohl eine ver­ ringerte Reflektivität als auch eine verbesserte Stromausbreitung auf. FIG. 6a shows again in detail (D1 in FIG. 5) the current propagation at a heterojunction layer and FIG. 6b the corresponding discontinuity of the band model and the majority charge carrier enrichment (comparable to detail D2 in FIG. 5). Thus, in FIG. 6 a the lateral current spread 4.6 within the hetero-interface is compared with the normal current spread ( 5.6 ) indicated by the dashed line without the two-dimensional current channel. It is clearly recognizable that a lateral current drift occurs on the side of the hetero interface with the enrichment of majority charge carriers in the immediate vicinity of the hetero interface. If one considers the band model according to FIG. 6b, the discontinuity of the majority charge carriers, here the enrichment of the electrons in n-doped materials, becomes clear. In the case of p-doped materials, as previously described in FIGS. 1 to 5, this would be an enrichment of holes in the valence band, as can be seen in D2 in FIG. 5c. The discontinuity 6.6 can even reach and exceed the Fermi level (E F ), as a result of which the number of free majority charge carriers increases sharply. However, even with a smaller discontinuity, lateral current spreading at the hetero-interface can generally be observed, although not as strongly as with a two-dimensionally freely moving electron gas. The depletion zone 7.6 opposite the depletion zone 6.6 has no significant influence on the current spreading, ultimately only increases the overall resistance of the layer sequence only slightly. The layer arrangement 1 thus has both a reduced reflectivity and an improved current spread.

Hinzuweisen ist auf die einfache Realisierung dieser Schichtanordnung 1 aus GaP und AlP, da die chemischen atomaren Grundbestandteile (Ga, Al, P) Stoffe bereits für die Herstellung der anderen Halbleiterschichten (aktive Schicht (AlyGa1-y)InP weist alle diese Grundbestandteile auf) zur Verfügung stehen und somit keine Anpassungen außer der entsprechenden An­ steuerung der Epitaxie durchgeführt werden müssen. Grundsätzlich können auch die Heterogrenzschichten auch aus unterschiedlichen Kompositionen eines Mischkristalls bestehen, sofern sich an der Heterogrenzfläche die erforderliche Banddiskontinuität einstellt. Die Grundbestandteile müssen auch nicht zwangsweise alle in einer einzigen Schicht gemeinsam auftreten, sondern nur für den Epitaxieprozeß insgesamt, was durch das Auftreten in mehreren unterschiedlichen Schichten möglich ist.Reference should be made to the simple realization of this layer arrangement 1 made of GaP and AlP, since the chemical atomic basic components (Ga, Al, P) substances already have all these basic components for the production of the other semiconductor layers (active layer (Al y Ga 1-y ) InP) on) are available and therefore no adjustments other than the corresponding control of the epitaxy need to be carried out. In principle, the heterogeneous layers can also consist of different compositions of a mixed crystal, provided that the required band discontinuity occurs on the heterogeneous surface. The basic components do not necessarily all have to occur together in a single layer, but only for the epitaxial process as a whole, which is possible due to the occurrence in several different layers.

Die Fig. 7, bestehend aus den Fig. 7a ohne und 7b mit der einzelnen zusätzlichen λ/4-Schicht 1.z, zeigt noch einmal die beiden möglichen Schichtanordnungen, wobei in Fig. 7a eine geradzahlige Schichtenanzahl x entsprechend dem Doppelten der Paaranzahl a verwendet wird, während­ dessen die Schichtenanzahl bei Fig. 7b ungerade und um Eins erhöht (bzw. erniedrigt) ist. FIG. 7, consisting of FIGS. 7a without and 7b with the individual additional λ / 4 layer 1 .z, shows once again the two possible layer arrangements, in FIG. 7a an even number of layers x corresponding to twice the number of pairs a is used, during which the number of layers in FIG. 7b is odd and increased (or decreased) by one.

Claims (8)

1. Lichtemittierende Halbleiterdiode (LED) mit einer Licht der Wellenlänge λ emittierenden optisch aktiven Zone und einer Lichtaustrittsgrenzfläche zwischen dem Halbleitermaterial mit einem hohen Brechungsindex und einem äußeren Stoff mit einem geringeren Brechungsindex, wobei zwischen der Lichtaustrittsgrenzfläche und der optisch aktiven Zone eine Schichtanordnung zur Herabsetzung der auftretenden Reflexion der Lichtwellen vorgesehen ist,
bei der die Schichtanordnung aus wenigstens einem Paar aus einer ersten λ/4-Schicht mit einem hohen Brechungsindex und darauf einer zweiten λ/4-Schicht mit einem niedrigeren Brechungsindex besteht, die beide jeweils eine optische Dicke von einem Viertel der Wellenlänge der Lichtwellen oder ein ungeradzahliges Vielfaches davon aufweisen, wobei
die Paare so übereinander angeordnet sind, daß die Schichten jeweils wechseln und die oberste λ/4-Schicht, die mit dem äußeren Stoff über die Lichtaustrittsfläche in Berührung steht, eine λ/4-Schicht mit niedrigem Brechungsindex ist, dadurch gekennzeichnet, daß die λ/4-Schichten parallel zur aktiven Zone angeordnet und aus elektrisch leitfähigem Halbleitermaterial sind.
1. Light-emitting semiconductor diode (LED) with a light of the wavelength λ-emitting optically active zone and a light exit interface between the semiconductor material with a high refractive index and an outer material with a lower refractive index, with a layer arrangement between the light exit interface and the optically active zone to reduce the occurring reflection of the light waves is provided,
in which the layer arrangement consists of at least one pair of a first λ / 4 layer with a high refractive index and then a second λ / 4 layer with a lower refractive index, both of which each have an optical thickness of a quarter of the wavelength of the light waves or a have an odd multiple thereof, where
the pairs are arranged one above the other in such a way that the layers change in each case and the uppermost λ / 4 layer, which is in contact with the outer material via the light exit surface, is a λ / 4 layer with a low refractive index, characterized in that the λ / 4 layers arranged parallel to the active zone and are made of electrically conductive semiconductor material.
2. Lichtemittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Paare aus je einer ersten und einer zweiten λ/4- Schicht jeweils aufeinander angeordnet werden, wobei auf dem Halbleitermaterial mit hohen Brechungsindex eine erste λ/4-Schicht mit einem hohen Brechungsindex abgeschieden wird. 2. Light-emitting semiconductor diode according to claim 1, characterized shows that several pairs of a first and a second λ / 4- Layer are each arranged one on top of the other Semiconductor material with a high refractive index using a first λ / 4 layer with a high refractive index.   3. Lichtemittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Paare aus je einer ersten und einer zweiten λ/4- Schicht jeweils aufeinander angeordnet werden und zusätzlich auf dem Halbleitermaterial mit hohen Brechungsindex eine einzelne, weitere λ/4- Schicht mit einem niedrigen Brechungsindex abgeschieden wird.3. Light-emitting semiconductor diode according to claim 1, characterized shows that several pairs of a first and a second λ / 4- Layer can be arranged on top of each other and additionally on the Semiconductor material with high refractive index a single, further λ / 4- Layer with a low refractive index is deposited. 4. Lichtemittierende Halbleiterdiode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Paare in der Schichtanordnung oder/und der Brechungsindexunterschied zwischen der ersten und zweiten λ/4-Schicht so gewählt werden, daß die Amplitude des insgesamt von der Schichtanordnung reflektierten Lichtes mit der Amplitude des reflektierten Lichts der Lichtaustrittsgrenzfläche möglichst genau übereinstimmt.4. Light emitting semiconductor diode according to one of the preceding Claims, characterized in that the number of pairs in the Layer arrangement and / or the refractive index difference between the first and second λ / 4 layers are chosen so that the Amplitude of the total light reflected by the layer arrangement with the amplitude of the reflected light of the light exit interface matches as closely as possible. 5. Lichtemittierende Halbleiterdiode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden λ/4-Schichten der Schichtanordnung epitaktische Halbleiter­ schichten sind, deren chemische atomare Grundbestandteile vorzugs­ weise nicht über die chemischen atomaren Grundbestandteile der Halbleiterdiode hinausgehen.5. Light-emitting semiconductor diode according to one of the preceding Claims, characterized in that the two λ / 4 layers of the layer arrangement of epitaxial semiconductors are layers whose chemical atomic basic components are preferred do not have the basic chemical atomic components of the Go out semiconductor diode. 6. Lichtemittierende Halbleiterdiode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien oder Materialgemische der zwei λ/4-Schichten so gewählt werden, daß sich zwischen diesen eine Banddiskontinuität mit einer Anreichungszone für die Majoritätsladungsträger ausbildet. 6. Light-emitting semiconductor diode according to one of the preceding Claims, characterized in that the materials or Material mixtures of the two λ / 4 layers can be chosen so that between them a band discontinuity with an enrichment zone for trains the majority load carriers.   7. Lichtemittierende Halbleiterdiode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die aktive Zone der Halbleiterdiode aus einer Komposition von Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid (AlxGa1-x)InP besteht, wobei x das Mischungsverhältnis zwischen Aluminium und Gallium angibt und zwischen Null und Eins liegen kann, und daß
zwischen 5 und 30 Paaren aus je einer ersten λ/4-Schicht aus Galliumphosphid (GaP) und einer zweiten λ/4-Schicht aus Aluminium­ phospid (AlP) oder Aluminium-Gallium-Phosphid (AlxGa1-xP) jeweils aufeinander angeordnet werden.
7. Light-emitting semiconductor diode according to one of the preceding claims, characterized in that
the active zone of the semiconductor diode consists of a composition of aluminum gallium indium phosphide (Al x Ga 1-x ) InP, where x indicates the mixing ratio between aluminum and gallium and can be between zero and one, and that
between 5 and 30 pairs each of a first λ / 4 layer made of gallium phosphide (GaP) and a second λ / 4 layer made of aluminum phosphide (AlP) or aluminum gallium phosphide (Al x Ga 1-x P) to be ordered.
8. Lichtemittierende Halbleiterdiode nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen 23 bis 28 Paare aus GaP/AlP verwendet werden, wenn der äußere Stoff Luft ist und 15 und 20 Paare, wenn der äußere Stoff lichtdurchlässige Epoxid- oder Silikonmasse ist.8. Light-emitting semiconductor diode according to claim 7, characterized notes that between 23 and 28 pairs of GaP / AlP are used, if the outer fabric is air and 15 and 20 pairs if the outer fabric Fabric is translucent epoxy or silicone mass.
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