DE2460831A1

DE2460831A1 - Lichtemittierende vorrichtung

Info

Publication number: DE2460831A1
Application number: DE19742460831
Authority: DE
Inventors: Richard Wayne Dixon; William Baxter Joyce; Daniel Leon Rode
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1973-12-26
Filing date: 1974-12-21
Publication date: 1975-07-03
Also published as: JPS5098795A; FR2256545B1; NL7416683A; JPS5725990B2; GB1474969A; IT1027177B; CA1034240A; US3877052A; FR2256545A1

Description

BLUMBACH · WEBER ■ BERGEN- & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN DlPL-ING. P. G. BLUMBACH · DlPL-PHYS. DR. W. WESER · DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DlPL-ING. R. KRAMER

62 WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 · TEL (06121) 562943, 561998 MÖNCHEN

Western Electric Company incorporated

New York, N. Y., U. S. A. Dixon 8-1-4

■ - . Lichtemittierende Vorrichtung;

Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Vorrichtung mit einem transparenten elektrolumineszenten Halbleiterkörper, dessen Begrenzungsfläche wenigstens zum Teil rauh ist, wobei dieser Teil eine ausreichende Flachenerstrecicung aufweist, um einen bedeutenden Teil der optischen Strahlung im Körper zu streuen.

Wenn eine lichtemittierende Diode (LSD) aus Halbleitermaterial als optische Strahlungsquelle für eine optische Paser verwendet wird, besteht ein auftretendes Problem in der Begrenzung desjenigen Anteils der im Diodenresonator erzeugten Strahlung, der in die optische Paser eintreten kann, d. h. lediglich derjenige Teil der Strahlung im Resonator, der innerhalb des Aufnahmewinkels der Faser liegt. Mit Aufnahmewinkel ist im Strah-

— 2 —

509827/0684

& 2460837

lenbild der optischen Theorie der maximale Winkel bezüglich der Normalen zur Faserachse gemeint, bei welchem Lichtstrahlen, die Irgendeinem optischen Mode zugeordnet sind, in die Faser eintreten und sich in dieser fortpflanzen können. Dieses Problem ist dem in der US-Patentschrift 5,739*217 behandelten gleich mit der Ausnahme, daß im vorliegenden Fall das Problem hinzutritt, die Lichtstrahlen im Elektrolumineszenzdiodenresonator konzentrieren zu müssen, damit sie von der Querschnittsfläche des Eingangsdurchlasses (Öffnung) der optischen Faser aufgenommen werden kann, die gegenüber der gesamten Wandbegrenzungsfläche des Diodenresonators selbst relativ begrenzt ist. So scheint es unter einem Aspekt, daß dieses vorliegende Problem des Einkoppeins der Strahlung von einer Elektrolumineszenzdiode in eine optische Faser auf Grenzen trifft, die durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auferlegt sind und die oberen Grenzen der './irksamkeit des passiven Auskoppeins eines wesentlichen Teils des Lichtes in einer optischen Resonatorquelle durch einen schmalen Durchlaß mittels irgendeiner Anzahl zwischengeschalteter passiver Elemente wie Linsen, Filter, Reflektoren oder Resonatoren betreffen. Diese wohlbekannte Grenze des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik setzt jedoch stillschweigend Quellen voraus, die hinsichtlich ihrer eigenen Strahlung undurchlässig sind, und abgeschlossene Systeme (das NichtVorhandensein äußerer Leistungsquellen). Sie stellt somit nicht notwendigerweise ein unüberwindbares theoretisches Hindernis für die Lösung des vorliegenden Problems der wirksamen Einkopplung der optischen Strahlung einer lichtemittierenden Diode

— "3 —

509827/0684

(im folgenden kurz LED genannt) in eine optische Faser dar.

Dieses Problem XMird erfindungsgemäß gelöst durch eine lichtemittierende Vorrichtung mit einem transparenten elektrolumineszenten Halbleiterkörper, die dadurch gekennzeichnet ist, daß den Halbleiterkörper eine dielektrische Schicht bedeckt, die Öffnungen zum Hindurchführen von Elektrodenkontakten zum Körper und für den Austritt optischer Strahlung aus dem Körper über einen Ausgangsdurchlaß des Körpers aufweist,.daß der Brechungsindex des Dielektrikums niedriger als derjenige des Halbleiters an dessen Grenzfläche mit dem Dielektrikum ist, und daß die dielektrische Schicht mit einer Metallschicht bedeckt ist zur Reflexion des durch die Grenzfläche zwischen Halbleiterkörper und dielektrischer Schicht hindurchtretenden Lichtes. ■

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Seitenquerschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Elektrolumineszenzdioden-Vorrichtung mit einer Einkopplung in eine optische Paser; und

Fig. 2 eine Seitenquerschnittsansicht einer anderen erfindungsgemäßen Elektrolumineszenzdloden-Vorrichtung mit einer Einkopplung in eine optische Faser, deren Achse sich in der Ebene des pn-Übergangs der Diode befindet.

50 98 27/06 84

Kurz zusammengefaßt wird bei der Erfindung, um die optische Strahlung zu erhöhen, welche von einem Resonator mit einer transparenten elektrolumineszenten Halbleiterdiode in eine optische Paser eingekoppelt werden kann, der Diodenresonator mit einer optisch reflektierenden Schicht bedeckt, welche öffnungen für Elektrodenkontakte und für das Einsetzen der optischen Paser aufweist. Die reflektierende Schicht umfaßt eine dielektrische Schicht, welche mit einer optisch reflektierenden Schicht, typischerweise einer Metallschicht, bedeckt ist. Ein Teil der Dielektrikum-Halbleiter-Grenzfläche ist ausreichend, aufgerauht, um die total im Inneren reflektierten Strahlen im Halbleiter zu streuen (statistisch nach allen Richtungen reflektierend), um diesen Strahlen eine weitere Möglichkeit zu geben, in den Eingangsdurchlaß der optischen Paser zu gelangen. Die dielektrische Schicht ist vorteilhafterweise ausreichend, dick, um zu verhindern, daß entweichende Wellen (die vom total im Inneren reflektierten Licht im Halbleiter abfliessen) die Metallschicht berühren und von dieser absorbiert werden. Die metallische, reflektierende Schicht auf dem Dielektrikum dient dazu, die nicht im Inneren total reflektierten Strahlen, die vom Halbleiterkörper austreten, in den Halbleiterkörper zurückzureflektieren,. um die Möglichkeit eines Eintritts dieser Strahlen in die optische Faser zu erhöhen. Durch die Erhöhung der Möglichkeit, daß die Lichtstrahlen von der LED in die Paser eintreten, wird somit der Kopplungswirkungsgrad, entsprechend erhöht.

509827/0684

In einer speziellen erfindungsgemäßen Ausführungsform kann eine LED einen dreischichtigen, einkristallinen Halbleiteraufbau umfassen mit einer Kristallschicht aus p-leitendem Galliumaluminiurnarsenid, einer Zwischenkristallschicht aus p-leitendem (oder alternativ d.azu aus η-leitendem) Galliumarsenid und. einer KristallsJchicht aus η-leitendem Galliumaluminiumarsenid. Die p- (oder n-) leitende Galliumarsenid-Zwischenschicht ist zwischen den p- und n-1 eitenden Galliuraaluminiumarsenid-Schicliten eingebettet. Dadurch bildet der dreischichtige Halbleiterkristall einen optisch strahlenden Resonator. Ein beträchtlicher Teil der Kristallbegrenzungsfläche ist optisch rauh gemacht, um die für die Erfindung erwünschten statistisch nach allen Richtungen weisenden optischen Reflexionen zu erzeugen. Vorteilhafterweise wird die Rauhigkeit so gewählt, daß die "charakteristische Rauhigkeits-Dimension" wenigstens ein Zehntel der Wellenlänge betragt. Eine "charakteristische Rauhigkeits-Dimension" von wenigstens der Wellenlänge selbst wurde als gute Resultate ergebend befunden. Die "charakteristische Dimension" ist derjenige Teil der räumlichen Fourier-Transformation der Oberfläche, welcher die meisten bedeutenden Amplitudenkomponenten umfaßt. Methoden wie flüssig Abziehen, Sandbestrahlen oder Schleifen können verwendet werden, um eine solche charakteristische Rauhigkeits-Dimension zu erhalten. Eine dielektrische Schicht, beispielsweise aus Siliciumdioxid, bedeckt die gesamte Begrenzungsfläche des Halbleiterkristalls (einschließlich des rauhen Teils), ausgenommen öffnungen an Stellen für elektrischen Kontakt und für das Einsetzen der optischen Paser. Ein Paar optisch reflektierender, metallischer Silber-

- 6 509827/0684

schichten bedeckt die gesamte dielektrische Schicht (ausgenommen Stellen für das Einsetzen der optischen Paser und für gegenseitige elektrische Isolation) und stellt über Öffnungen in der dielektrischen Schicht direkten körperlichen Kontakt mit dem Halbleiter her. Das Siliciumdioxid und. die Silberschichten liefern die gewünschte optisch reflektierende Schicht für den Halbleiterresonator, wobei die Silberschichten auch als Elektrodenkontakte am Halbleiter dienen.

Vorteilhafterweise ist die p- (oder n-) leitende Galliumarsenid-Zwischenschicht vergleichsweise sehr dünn, um die Absorption des vorher an dieser Zwischenschicht emittierten Lichtes minimal zu machen, während, dieses Licht anschließend Vielfachreflexionen an der reflektierenden Schicht unterliegt und dadurch über diese Schicht zurückgerichtet wird. Da die Energiebandabstände der äußeren p- und. η-leitenden Schichten größer als derjenige der Galliumarsenid-Zwischenschicht ist, tritt in diesen äußeren Schichten nur eine unbedeutende .-.bsorption hinsichtlich des vorher an der Zwischenschicht emittierten Lichtes auf, während. dieses den nachfolgenden Mehrfachreflexionen unterliegt.

Im Hinblick speziell auf Fig. 1 ist eine Elektrolumineszenzdiode 10 dargestellt mit einer p-leitenden Außenschicht 11 aus halbleitendem Galliumaluminiumarsenid, einer p-leitenden (alternativ dazu η-leitenden) Zwischenschicht 12 aus halbleitendem Galliumarsenid und einer η-leitenden Außenschicht 13 aus halbleitendem Galliumaluminiumarsenid. Es versteht

5 0 9827/0 684 ~^?~

2A60831

sich jedoch, daß zur leichten Herstellung die Zwischenschicht 12 ebenfalls aus Galliumalurniniumarsenid bestehen kann, aber mit einer Aluminiumkonzentration, die beträchtlich niedriger als diejenige in den äußeren Schichten 11 und IJ ist. Die halbleitenden Schichten 11, 12 und. I^ sind, typischerweise nach bekannten Methoden des epitaktischen Halbleiterkristallzüchtens hergestellt, wie sie von B. I. Miller, E. Pinkas, I. Hayashi und R. J. Capik in folgender Schrift beschrieben sind: "Reproducible Liquid Phase Epitaxial Growth of Double Heterostructure GaAs-Al^Ga₁ As Laser Diode", Journ. Appl. Phys. V3, Nr. 6,' Seiten 2817-2826 (Juni 1972). Die Schicht 11 ist pleitend, und zwar aufgrund einer Dotierung mit einem Übermaß an Akzeptordotierstoffen ("Löcher") in einer Konzentration, die typischerweise zwischen etwa 1x10 ' und etwa 1x10 /cxP liegt. Die p- (oder n-) leitende Schicht 12 enthält eine Konzentration an Akzeptor- (oder Donator-) Dotierstoffen von etwa 4x10 ycxn?. Die η-leitende Schicht IJ enthält in beträchtlichem Übermaß Donatordotierstoffe, typischerweise in einer Konzentration zwischen etwa 1x10 'und 1x10 /cnr.

Das relative atomare Verhältnis von Gallium zu Aluminium liegt in den Außenschichten 11 und I5 typischerweise in einem Bereich zwischen etwa neun und. zwei, typischerweise bei etwa drei. Auf jeden Fall ist der relative Anteil an Aluminium in den Außenschichten typischerweise ausreichend, um sicherzustellen, daß der verbotene Energiebandabstand in den Schichten 11 und IjS · beträchtlich höher als der Energiebandabstand in den Schichten

- 8 509827/0684

12 ist. Dadurch werden die Schichten 11 und 13 relativ durchlässig für in der Schicht 12 erz.eugte Strahlung, so daß die ^sorption der Strahlung selbst bei den relativ dicken nußenschichteii 11 und 13 minimal ist, und zwar aufgrund dieser Energiebandabstandsdifferenz. Die Querschnitte der Schichten 11, 12 und 13 sind typischerweise rechteckig, wie sie durch Ritzen und Brechen oder Laserschneiden einer anfänglich viel größeren Halbleiterscheibe erhalten werden. Die Schichten 11, 12 und 13 sind typischerweise etwa 2, 0,5 bzw. 2 Mikrometer dick; während die Querschnitte dieser Schichten beide typischerweise etwa 125 Mikrometer im Guadrat sind. Jedenfalls ist es nützlich, die Dicke der Schicht ausreichend klein zu machen, so daß dort durch diese Schicht lediglich eine minimale absorption der Strahlung auftritt, die in dieser Schicht durch den Rekombinationsvorgang von

auf
Elektronen und Löchern/eine über der p-leitenden Schicht 11 und der η-leitenden Schicht 13 liegende Vorwärtsspannung hin erzeugt wird. Somit tritt in dem gesamten in der Vorrichtung 10 vorhandenen Halbleitermaterial und somit in dem durch die Halbleiterschichten 11, 12 und 13 gebildeten optisch strahlenden Resonator eine minimale Strahlungsabsorption auf. Dieser Resonator weist Begrenzungswände auf, die mit einer optischen Reflektorschicht bedeckt sind, welche eine dielektrische Schicht 14 und Metallschichten 15 und 16 aufweist, die nun beschrieben werden sollen.

. - 9 50982 7/06 8 4

Die dielektrische Schicht 14 kann typischerweise eine Siliciumdioxidschicht sein, vorteilhafterweise mit einer Dicke von I₃OOO α oder mehr, um einen beträchtlichen exponentiellen "Abfall" irgendwelcher entweichender optischer Wellen, die von dem durch die Halbleiterschichten 11, 12 und 13 gebildeten Halbleiterresonator kommen, in dieser dielektrischen Schicht zu ermöglichen. Nach Belieben kann es sich bei der dielektrischen Schicht 14 vorzugsweise um durch Umsetzen von Material des Halbleiterkörpers selber gebildetes Oxid (im folgenden kurz als "genetisches" Oxid bezeichnet) anstelle von Siliciumdioxid handeln. Diese dielektrische Schicht hat Öffnungen für das Einsetzen einer optischen Faser 17 und für direkten körperlichen Kontakt der Ketallschichten 15 und. l6, die gleichzeitig als Elektroden und als Reflektoren für die durch die dielektrische Schicht 14 vom Kalbleiterresonator kommende optische Strahlung dienen. Es sei jedoch bemerkt, daß diese Metallschichten gewöhnlich an der Fläche des Elektrodenkontaktes der Metallschichten 15 und 1β mit dem Halbleitermaterial des Resonators dunkel werden; folglich wirken diese Metallschichten an den Halbleiterkontaktflächen eher optisch absorbierend als reflektierend, was auf einer Legierung des Metalls mit dem Halbleiter bei den hohen Behandlungstemperaturen beruht, die normalerweise für die Herstellung eines guten elektrischen (Legierungs-) Kontaktes verwendet werden. Um die nicht reflektierenden Kontaktflächen

- 10 -

509827/0684

zu reduzieren, jedoch gleichzeitig einen guten und zuverlässigen elektrischen Kontakt des Metalls aufrechtzuerhalten, können diese Kontaktflächen vorteilhafterweise hergestellt werden in Form einer Mehrzahl kleiner kreisförmiger Kontakte (Mehrfachfleck), die durch entsprechende zylindrische öffnungen im Dielektrikum gebildet werden, wie es in der US-Patentschrift 3,667,004 beschrieben ist. Das Metall in den (optisch reflektierenden Elektroden-) Schichten 15 und 16 ist typischerweise -" Silber, es kann jedoch für diese Schichten auch Gold oder Aluminium verwendet werden. Somit ist ein optisch strahlender Resonator mit reflektierenden Wänden gebildet, und zwar durch die Halbleiterschichten 11, 12 und 13, die mit der dielektrischen Schicht 14 und den Metallschichten 15 und 16 beschichtet sind.

Es versteht sich, daß diese optischen Strahlen im Resonator, die auf die obere Fläche 11.5 (oder die untere Fläche 13·5) des Halbleiterresonators mit Winkeln, die größer als der kritische Winkel sind, auftreffen, durch die dielektrische Schicht 14 mit einem nahezu bei 100$ liegenden Wirkungsgrad reflektiert werden, während diejenigen Strahlen, die auf die Fläche 11.5 (oder 13.5) mit Winkeln auftreffen, die kleiner als der kritische Winkel sind, durch die Metallschicht I5 (oder 16) mit einem Verlust im Größenbereich von 5 bis 20$ reflektiert werden.

Die untere Fläche 13.5 des Halbleiterresonatormaterials in

- 11 -

509827/06 8 4

der Schicht 15 ist vorteilhafterweise aufgerauht, um ein geeignetes Streuen der Strahlung zu erzeugen. Zum Zweck einer nennenswerten Beeinflussung der statistischen Winkelverteilung der Ausbreitungsrichtung von Lichtstrahlen, die sich in verschiedenen Moden in dem strahlenden Resonator (gebildet durch den Halbleiterkörper, mit dessen optisch reflektierenden Schichten l4 und 15) ausbreiten., sollten die Oberflächenunregelmäßigkeiten der unteren Fläche IJ.5 maximale Winkelabweichungen von einer flachen Ebene besitzen, die wenigstens einen Winkel von 20 darstellen. Und diese Oberflächenunregelmäßigkeiten sollten sich über einen beträchtlichen Teil der unteren Fläche 13-5 erstrecken, wenigstens über mehr als J>0% und vorteilhafterweise über die gesamte untere Fläche -Ί3·5· So kann beispielsweise die gesamte untere Fläche 13·5 zu einer diffusen reflektierenden Fläche aufgerauht werden., und zwar durch Methoden wie Sandblasen, Flüssigabziehen oder Schleifen. Alternativ dazu kann die obere Fläche 11.5 der Schicht 11 anstelle oder zusätzlich zum Aufrauhen der unteren Fläche I3.5 rauh gemacht werden. Auf jeden Fall zeichnet sich ein beträchtlicher Teil der Wände des strahlenden Resonators aus durch beträchtliches, statistisch nach allen Richtungen wirkendes optisches Reflexionsvermögen.

Durch einen Ausgangsdurchlaß (Öffnung) in der dielektrischen Schicht 14, der mit einer gleichen öffnung in der Metallschicht 15 fluchtet, kann die optische Faser YJ eingesetzt werden, und zwar entweder direkt im Kontakt mit der p-leitenden Schicht 11,

- 12 509-827/0684

oder, wie in Fig. 1 dargestellt, mit einem optisch koppelnde.n Material 17·5* das zwischen der optischen Faser 17 und der Halbleiterschicht 11 angeordnet ist. Typischerweise kann es sich bei dem optisch koppelnden Material um in der Technik bekannte geeignete öle oder Harze handeln, während die optische Faser 17 aus Quarzglas bestehen kann. Alternativ dazu kann ein Teil des gesamten Kopplungsmaterials durch die bereits an diesem Ausgangsdurchlaß vorhandene dielektrische Schicht 14 gebildet sein. Zur Vervollständigung der Schaltung wird eine Batterie 18 geeigneter Polarität an die reflektierenden Metallschichten 15 und 16 angeschlossen, um so an der p-leitenden Schicht 11 bezüglich der η-leitenden Schicht 1;5 ein Vorwärtsspannungspotentiai für die reichliche Erzeugung von Elektronen und Löchern zu schaffen (die dann in der Schicht 12 rekombinieren, was von der Emission optischer Strahlung begleitet ist, die sich durch eine Vakuumwellenlänge von etwa 1 Mikrometer auszeichnet).

Beim -Kopplungsmaterial 17.5 kann es sich um ein einziges Material handeln, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Alternativ dazu kann es sich bei diesem Kopplungsmaterial um ein mehrschichtiges Dielektrikum handeln, welches die außerhalb des Aufnahmewinkels liegenden optischen Strahlen zurück in den Resonator reflektiert und die anderen Strahlen in die Faser 17 überträgt, um durch diese weitergeleitet zu werden. Eine andere Alternative besteht darin, eine kleine Linse in einem

509827/0684

Luftspalt zwischen der Faser 17 und dem ResonatorauslaS anzuordnen, um diejenigen optischen Strahlen in den Aufnahmewinkel umzuleiten, welche ansonsten nicht für die Übertragung durch die Paser aufgenommen würden.

Es versteht sich^ daß zusätzlich zur oder anstelle der optischen Aufrauhung der unteren Fläche 13 «5 sowohl die Seitenflächen der Schichten 11 und 13 als auch die obere Fläche 11.5 der Schicht 11 aufgerauht werden können, um einen (weiteren) bedeutenden Betrag an geeigneter statistischer Verteilung der Ausbreitungsrichtungen der im strahlenden Halbleiterresonator reflektierten optischen Strahlung zu erreichen. Dadurch wird die Möglichkeit, daß optische Strahlung im Resonator in Hoden auftritt, welche nicht durch die Faser aufgenommen werden können, beträchtlich, reduziert, wodurch die gesamte Strahlungskopplung vom Resonator zur Faser verbessert wird.

Fig. 2 zeigt eine andere erf-indungsgemäße Ausführungsform, welche der in Fig. 1 dargestellten gleich ist, mit der Ausnahme, daß die optische Faser derart eingefügt ist, daß ihre Achse in der Ebene eines pn-Übergangs 22 liegt, der zwischen einem p-leitenden Halbleiter 21 und einem n-leitenden Halbleiter 23 angeordnet ist. Um die Ähnlichkeit zwischen den Fig. 1 und 2 zu unterstreichen, sind in Fig. 2 für entsprechende Elemente die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet, jedoch um 10 erhöht.

- 14 509827/068 4

2460837

Es sei bemerkt, daß es sich sowohl bei dem p-leitenden Halbleiter 21 als auch bei dem η-leitenden Halbleiter 23 tun Galliuniarsenxdphosphid handeln kann. Eine dielektrische Schicht 24 und reflektierende Metallschichten 25 und 26 (dieebenfalls als Elektroden dienen), wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, sind entsprechend den equivalenten Elementen in Fig. 1 vorgesehen. Die Faser 17 fluchtet mit der Ebene des pn-Übergangs 22, so daß ein größerer Bruchteil der in die Faser gelangenden Strahlung direkt vom pn-übergang 22 kommt, ohne vorher (einfach oder mehrfach) an den Begrenzungswänden des Halbleiterresonators reflektiert worden zu sein. Wenn es auch nicht erforderlich ist, so ist es in diesem Fall doch vorteilhaft, die Seitenwand J2 der Schichten 21 und 23 ebenfalls aufzurauhen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Typischerweise können die Metallschichten I5 und l6 (25 und 26) eine Dicke von etwa 0,5 bis 20 Mikrometer aufweisen (oder mehr, um, falls erwünscht, Wärme zu einer Wärmesenke oder Wärmeableitung abzuziehen).

Bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen wurde es als nützlich für die Arbeitsweise der Vorrichtung befunden, wenn die dielektrische Konstante des Halbleitermaterials beträchtlich größer (wenigstens um einen Faktor von etwa 2) als diejenige der dielektrischen Beschichtung war, um einen relativ kleinen kritischen Winkel im HaIb-

- 15 509827/068A

— IfS —

2480831

leiter zu bewirken. Auch wurde es als nützlich befunden, wenn sich die elektrolumineszenten.Halbleitermaterialien im Resonator dadurch auszeichnen, daß sie lediglich einen unbedeutenden optischen Absorptionsbetrag bei jedem Durchqueren des Halbleitermaterials im Resonator von einer zu einer anderen Begrenzungsfläche bewirken. So ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn das atomare Verhältnis von Gallium zu Aluminium im Galliumaluminiurnarsenid kleiner als etwa 9 ist; und daß im Fall von Galliumarsenidphosphid das relative Verhältnis von Galliumphosphid zu Galliumarsenid wenigstens 56 Gewichtsprozent ist. Im allgemeinen sollten deshalb die für die Schichten 11 und I3 (oder 21 und 2J>) verwendeten Materialien durchlässig für die an der Zwischenschicht 12 oder der pn-Übergangszone 22) erzeugte Strahlung sein. Außerdem sollte die Siliciumdloxidschicht 14 eine

Dicke von wenigstens 1,000 A oder mehr haben, damit die entweichenden optischen Wellen, die vom Halbleitermaterial an der Grenze mit dieser dielektrischen Schicht kommen, über diese Dicke exponentiell auf einen unbedeutenden Intensitätswert abfallen können. Eine solche Dicke des Siliciumdioxids schafft ausreichend Raum für einen exponentiellen Abfall der Intensität der durchschnittlichen Strahlung oberhalb des kritischen Winkels im Halbleiter auf einen Wert an der Metallschicht, der unterhalb etwa 25^ des Intensitätswertes im Halbleiter liegt. Auf diese Weise ist an den Metallschichten lediglich eine minimale optische Intensität vor-

- 16 509-827/0684

- ιβ -

246083}

handen, und folglich tritt lediglich eine minimale Absorption der austretenden Wellen durch diese Metallschichten auf. Diese Metallschichten erzeugen auch optische Reflexion derjenigen Strahlen mit hohem Wirkungsgrad (niedrigen Verlusten), welche durch die Begrenzungsfläche der dielektrischen Halbleitermaterialien unter Winkeln hindurchgelangen, die kleiner als die kritischen Winkel gemäß den geometrischen optischen Prinzipien sind. Dadurch tritt eine minimale resultierende Absorption der entweder in der Zwischenschicht 12 (Pig. 1) oder in der pn-Übergangszone 22 (Fig. 2) erzeugten Strahlung einerseits durch die jeweiligen Halbleitermaterialien und andererseits durch die reflektierende Schicht, welche durch das Zusammenwirken der dielektrischen Schicht und. der Metallschichten erzeugt wird, auf. Somit unterliegt die in den Vorrichtungen 10 und 20 erzeugte optische Strahlung einer minimalen absorption in diesen, und sie hat deshalb eine größere Möglichkeit, in die Faser nach vielen "Durchquerungen" aufgenommen zu werden, d. h. nach vielen Mehrfachreflexionen in dem Resonator, der durch das mit der reflektierenden Schicht bedeckte Halbleitermaterial gebildet wird.

Es versteht sich, daß als Folge des Vorhandenseins der optisch reflektierenden Metallschichten 15 und 16 (25 und 26) die Intensität der Strahlung im Resonator, welche die Schicht 12 (Übergang 22) durchquert, dadurch verbessert wird; aber der

- 17 509827/0684

2450831

zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird, dadurch nicht verletzt, und zwar aufgrund des Vorhandenseins der äußeren Batterie, d. h. eines nicht abgeschlossenen Systems.

Die dielektrische Schicht 14 kann anstatt aus Siliciumdioxid vorzugsweise aus "genetischem" Oxid hergestellt sein., d. h. aus solchem Oxid, das durch Umsetzen von Material des Halbleiterkörpers selber gebildet ist.

509827/0684

Claims

BLUMBACH ■ WESER ■ BERQEN & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN

246083]

DiPL-ING. P. G. BLUMBACH - DIPL-PHYS. DR. W. WESER - DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

<2 WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 - TEL (06121) »2943, 561998 MÖNCHEN

At

Patentansprüche

1.J Lichtemittierende Vorrichtung mit einem transparenten elektrolumineszenten Halbleiterköprer, dessen Begrenzungsfläche wenigstens zum Teil rauh ist, wobei dieser Teil eine ausreichende FlächenerStreckung aufweist, um einen, bedeutenden Teil der optischen Strahlung im Körper zu streuen, dadurch gekennzeichnet, daß den Halbleiterkörper eine dielektrische Schicht (14) bedeckt, die öffnungen zum Hindurchführen von Elektrodenkontakten zum Körper und für den Austritt optischer Strahlung aus dem Körper über einen Ausgangsdurchlaß des Körpers aufweist, daß der Brechungsindex des Dielektrikums niedriger als derjenige des Halbleiters an dessen Grenzfläche mit dem Dielektrikum ist, und daß die dielektrische Schicht mit einer Metallschicht (15* l6) bedeckt ist zur Reflexion des durch die Grenzfläche zwischen Halbleiterkörper und dielektrischer Schicht hindurchtretenden Lichtes·

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper eine GalliumaluininiuiHarsenid-Zwischenschicht (12) enthält, die zwischen einer äußeren, p-leitenden

- 19 5098 277 06 8 4

• Galliumaluminiurnarsenid-Schieht (11) und einer äußeren, η-leitenden Galliumaluminiumarsenid-Schicht (IJ) eingebettet ist, daß das Verhältnis von Aluminium zu Gallium in der äußeren p-leitenden und der äußeren n-1eitenden Schicht ausreichend ist,, um diese Schichten für die in der Galliumarsenid-Zviischenschicht erzeugte optische Strahlung im wesentlichen transparent zu machen, und daß das Verhältnis von Aluminium zu Gallium in der Zwischenschicht beträchtlich niedriger als in den äußeren Schichten ist.

J. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht (14) im wesentlichen in Form von Siliciumoxidmateria,l vorliegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Spannung angekoppelt ist, um den elektrolumineszenten Kalbleiter zu optischer Strahlung anzuregen, und daß eine optische Paser (17) mit einem Eingangsdurchlaß in der Nähe des Ausgangsdurchlasses des Halbleiterkörpers vorgesehen ist, wodurch im Körper erzeugte optische Strahlung in die Paser eingekoppelt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Dielektrikums (14) um mindestens den Faktor 2 kleiner als derjenige des Halbleiterkörpers (10) ist.

• - - 20 -

50 9 8 27/ ,06.84.

6. Vorrichtung nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (14) im wesentlichen aus Siliciumdioxid besteht.

7· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (14) als durch Umsetzen von Material des Halbleiterkörpers (10) selber gebildetes Oxid vorliegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (14) ausreichend, dick ist, um einen exponentiellen Abfall der Intensität der vom Halbleiterkörper in Richtung Metallschicht (15*.16) austretenden entweichenden Wellen auf einen Wert an der Metallschicht zu bewirken, der im Durchschnitt kleiner als 25^ der Intensität im Halbleiterkörper (10) ist.

509827/068^