DE3635686A1 - Lichtemittierende halbleiterstruktur - Google Patents
Lichtemittierende halbleiterstrukturInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine lichtemittierende Halbleiter
struktur nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche Halbleiterstruktur ist z. B. zur Herstellung
lichtemittierender Dioden (LED) sowie von Halbleiterlasern
verwendbar.
Eine derartige Halbleiterstruktur ist z. B. aus dem
deutschen Patent DBP 31 02 875 C2 bekannt und hat den in
Fig. 1 dargestellten Schichtaufbau:
In die InP-Schicht 6 wird nun eine grabenförmige Nut 7
geätzt, die z. B. einen tapezförmigen Querschnitt besitzt
und die bis zu der Schicht 5 reicht. Die grabenförmige Nut
dient als Diffusionsmaske für eine anschließend angewandte
ganzflächige Diffusion, z. B. eine Zn-Diffusion, bei der
eine Diffusionsfront 8 entsteht mit einem p-leitenden
diffundierten Bereich 9, der bis zu der lichtemittierenden
Schicht 3 reicht. Auf die Schicht 6 sowie das Substrat 1
werden anschließend ganzflächige Metallschichten 10, 11
aufgebracht, die zur Herstellung der elektrischen Anschlüsse
dienen und die aus Metallen bestehen, die derzeit in
der Halbleitertechnologie geläufig sind.
Wird nun eine derartige Halbleiterstruktur mit einen
elektrischen Strom in Durchflußrichtung angesteuert, so
entsteht unterhalb des diffundierten Bereichs 9 in der
lichtemittierenden Schicht 3 Licht, das sich zunächst
allseitig auszubreiten versucht. Aufgrund der angrenzenden
InP-(Führungs-)Schichten 2 und 4 kann sich das erzeugte
Licht, das z. B. in einem Wellenlängenbereich von 1,1 µm
bis 1,6 µm liegt, lediglich parallel zum pn-Übergang in
transversaler sowie lateraler Richtung ausbreiten. Das
transversal in Richtung der Nut 7 laufende Licht wird
entsprechend den Reflexionsverhältnissen der Kristall
flächen abgestrahlt. Auf diese Weise sind Halbleiterlaser
oder LEDs herstellbar. Das in der lichtemittierenden
Schicht 3 sich lateral, d. h. parallel zur Zeichenebene,
ausbreitende Licht durchläuft außerhalb des aktiven
Streifens 12 in den elektrisch nicht gepumpten Bereichen 13
optisch absorbierende Gebiete und ist daher nachteiliger
weise nicht nutzbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
gattungsgemäße Halbleiterstruktur dahingehend zu verbessern,
daß bei unveränderten elektrischen Ansteuerbedingungen die
optische Ausgangsleistung erhöht wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden
Teilen der Patentansprüche 1 sowie 7 angegebenen Merkmale.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen der
Erfindungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die
grabenförmigen Vertiefungen, welche die laterale Ausbreitung
des Lichts begrenzen, sehr kostengünstig herstellbar sind.
Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß eine gute und
zuverlässige elektrische Kontaktierung des diffundierten
Bereichs möglich ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei
spielen näher erläutert unter Bezugnahme auf die weiteren
Fig. 2 bis 7.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei welchem
der Halbleiter-Schichtaufbau demjenigen der Fig. 1 ent
spricht und bei welchem der diffundierte Bereich 9 in der
beschriebenen Weise erzeugt wird. Anschließend an den
beschriebenen Diffusionsvorgang wird nun die n-InP-Schicht
6 vollständig abgeätzt, so daß eine planare Halbleiter
struktur entsteht. In diese wird nun im wesentlichen
parallel zu dem diffundierten Bereich 9 beidseitig dazu
jeweils eine grabenförmige Vertiefung 14, 15 geätzt. Diese
Vertiefungen 14, 15 haben einen beliebigen Querschnitt,
z. B. u- oder v-förmig, und eine Tiefe, so daß zumindest
die lichtemittierende Schicht 3 vollständig durchdrungen
wird. Der Abstand zwischen den Vertiefungen 14, 15 ist
möglichst gering gewählt und beträgt z. B. 5 bis 10 Wellen
längen des erzeugten Lichts. Dadurch werden die elektrisch
nicht gepumpten Bereiche 13 von dem gepumpten Bereich 12
getrennt. Das sich darin in lateraler Richtung ausbreitende
Licht läuft vorteilhafterweise lediglich eine sehr
kurze Strecke durch absorbierende Bereiche und wird an den
Begrenzungswänden der Vertiefungen 14, 15 zu dem gepumpten
Bereich 13 (aktiver Bereich) zurückreflektiert, so daß
in transversaler Richtung eine erhöhte optische Ausgangs
leistung entsteht. Diese erhöhte optische Ausgangsleistung ist
sowohl bei LEDs als auch bei Halbleiterlasern erreichbar,
da sich diese im wesentlichen durch die Ausbildung der den
gepumpten Bereich 12 in transversaler Richtung begrenzenden
(Lichtaustritts-)Flächen unterscheiden.
Es ist weiterhin vorteilhaft, auf zumindest die Wände der
Vertiefungen 14, 15 eine Oxidschicht 16 aufzubringen.
Diese Oxidschicht 16 besteht z. B. aus einem sogenannten
natürlichen Oxid oder einem Fremdoxid, z. B. SiO₂. Die
Oxidschicht 16 bewirkt einerseits eine erhöhte Reflexion
des erzeugten Lichts und andererseits eine elektrische
Isolation für die nachfolgend ganzflächig aufgebrachte
Metallschicht 10. Durch diese wird der elektrische Kontakt
zu dem diffundierten Bereich 9 hergestellt. Dieser wird
also in vorteilhafter Weise auf seiner ganzen Breite mit
der Metallschicht 10 beschichtet, so daß in kostengün
stiger Weise ein guter und zuverlässiger elektrischer
Kontakt herstellbar ist. Das beschriebene Ausführungsbeispiel
entspricht einer sogenannten indexgeführten Halb
leiterstruktur, hat jedoch den Vorteil, daß dazu kein
unterbrochenes Epitaxieverfahren benötigt wird, das
unwirtschaftlich ist.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem
zunächst gemäß Fig. 1 eine Halbleiterstruktur erzeugt
wird, die einem V-Nut-Kantenemitter entspricht. Eine
derartige Halbleiterstruktur, auf der bereits Metallflächen
10, 11 angebracht sind, wird nun parallel zu der Nut 7
entlang einer Kristallfläche, die senkrecht zu der Halb
leiterschichtenfolge verläuft, derart gespalten, daß eine
reflektierende Fläche 17 entsteht.
Zwischen der Fläche 17 und dem diffundierten Bereich 9
ist ein möglichst geringer lateraler Abstand von z. B.
kleiner fünf Wellenlängen des erzeugten Lichts vorhanden.
Durch die Fläche 17 wird im wesentlichen die Hälfte des
absorbierenden Bereichs 13 beseitigt. Die Fläche 17 wirkt
daher als einseitiger Reflektor für das sich in lateraler
Richtung ausbreitende Licht, so daß in vorteilhafter Weise
die Photonendichte im gepumpten Bereich 12 erhöht wird.
Wird der Reflexionskoeffizient der Fläche 17 weiter
erhöht, z. B. durch Aufbringen einer Oxid-Metall-Schichten
folge, so ergibt sich eine weitere Steigerung der erwünschten
optischen Abstrahlleistung in transversaler Richtung.
Wird beispielsweise bei einem LED-Halbleiterkörper in
einem Abstand von ungefähr 10 µm von der Nut 7 eine reflek
tierende Fläche 17 erzeugt, so ergibt sich gegenüber einer
Standard-LED mit gleicher aktiver Breite der lichtemit
tierenden Schicht 3 (Streifenbreite) eine Erhöhung der
optischen Ausgangsleistung von mindestens 50% bei ansonsten
gleichen Anregungsbedingungen. Die zugehörigen Verän
derungen der Fernfeldverteilung parallel zu dem pn-Über
gang, sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Bei den
Fig. 4 und 5 ist dabei auf der Abzisse als Einheit
jeweils eine Winkeldifferenz von 10° (Altgrad) aufgetragen
während die Lichtintensität (Ordinate) in willkürlichen
Einheiten gemessen ist. Fig. 4 zeigt die Fernfeldvertei
lung für eine Standard-LED gemäß Fig. 1 während Fig. 5 die
entsprechende Verteilung für eine LED gemäß Fig. 3 zeigt.
Die wesentlich verbreiterte Fernfeldverteilung gemäß Fig. 5
erniedrigt zwar den Koppelwirkungsgrad bei LED-Licht
wellenleiter-Kopplung, die dadurch bedingte verminderte
eingekoppelte Lichtleistung wird jedoch überkompensiert
durch die vorhandene vergrößerte absolute optische Ausgangs
leistung einer LED gemäß Fig. 3. Zusätzlich ermöglicht die
breitere Emissionsverteilung gemäß Fig. 5 in vorteilhafter
Weise eine größere mechanische Toleranz bei LED-Lichtwellen
leiter-Kopplungen, so daß diese sehr kostengünstig
durchführbar sind.
In den Fig. 6 und 7 sind die zu den Fig. 4 bzw. 5
gehörenden Nahfeldverteilungen, parallel zu dem pn-Über
gang dargestellt. Dabei ist auf der Abzisse jeweils eine
Differenz des Maßabstandes von 2 µm aufgetragen während
auf der Ordinate wieder die ausgesandte Lichtintensität in
willkürlichen Einheiten aufgetragen ist. Es ist ersicht
lich, daß die Nahfeldverteilung im wesentliche unverändert
geblieben ist.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs
beispiele beschränkt, sondern sinngemäß auf weitere anwendbar,
z. B. auf LEDs sowie Halbleiterlaser auf der Grundlage
von GaAs als Substrat.
Claims (12)
1. Lichtemittierende Halbleiterstruktur
- - bestehend aus einem Halbleitersubstrat (1), auf dem eine Doppelheterostruktur-Halbleiterschichtenfolge, die eine lichtemittierende Schicht (3) enthält, und aufgewachsen ist und
- - bei der eine Einengung des elektrischen Stromes durch einen diffundierten Bereich (9) erreicht wird, der bis zu der lichtemittierenden Schicht (3) reicht und der mit Hilfe einer grabenförmigen Nut (7) entstanden ist,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß beidseitig neben dem diffundierten Bereich (9) jeweils eine grabenförmige Vertiefung (14, 15) vorhanden ist, die zumindest die lichtemittierende Schicht (3) durchdringt,
- - daß die laterale Ausbreitung des in der lichtemit tierenden Schicht (3) erzeugten Lichts durch den Abstand zwischen den grabenförmigen Vertiefungen (14, 15) bestimmt ist und
- - daß zumindest auf dem diffundierten Bereich (9) eine Metallschicht (10) aufgebracht ist.
2. Lichtemittierende Halbleiterstruktur nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in den Vertiefungen
(14, 15) eine Oxidschicht (16) vorhanden ist und daß
zumindest die Oxidschicht (16) sowie der diffundierte
Bereich (9) von der Metallschicht (10) bedeckt sind.
3. Lichtemittierende Halbleiterstruktur nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für
das in der lichtemittierenden Schicht (3) erzeugte Licht
der Brechungsindex der Oxidschicht (16) kleiner ist als
derjenige der angrenzenden Halbleiterschichten und daß die
Oxidschicht (16) eine derartige Schichtdicke besitzt, daß
das erzeugte Licht reflektiert wird.
4. Lichtemittierende Halbleiterstruktur nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Abstand zwischen den Vertiefungen (14, 15) kleiner als
zehn Wellenlängen des erzeugten Lichts ist.
5. Lichtemittierende Halbleiterstruktur nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- - daß auf einem n-InP-Substrat (1) zunächst eine n-InP- Pufferschicht (2) aufgebracht ist,
- -daß darauf eine lichtemittierende Schicht (3) aus Ga x In1-x As y P1-y aufgebracht ist,
- - daß darauf eine p-InP-Schicht (4) aufgewachsen ist
- - daß darauf eine n-Ga x In1-x As y P1-y -Schicht (5) aufge wachsen ist, von welcher der diffundierte Bereich (9) sowie die Vertiefungen (14, 15) ausgehen und
- - daß das Substrat (1) sowie zumindest der diffundierte Bereich (9) durch jeweils eine Metallschicht (10) kontaktiert sind.
6. Lichtemittierende Halbleiterstruktur nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
zu der lichtemittierenden Schicht (3) gehörenden Lichtaus
trittsflächen derart ausgebildet sind, daß eine lichtemit
tierende Diode oder ein Halbleiterlaser entsteht.
7. Lichtemittierende Halbleiterstruktur nach dem Ober
begriff des Patentanspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß
einseitig neben dem diffundierten Bereich (9) eine reflek
tierende Fläche (17) vorhanden ist, die zumindest die
lichtemittierende Schicht (3) durchdringt und die im
wesentlichen parallel zu der grabenförmigen Nut (7) ver
läuft.
8. Lichtemittierende Halbleiterstruktur nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Fläche (17)
als Reflexionsfläche für das erzeugte Licht ausgebildet
ist.
9. Lichtemittierende Halbleiterstruktur nach Anspruch 7
oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand
zwischen dem diffundierten Bereich (9) und der reflektie
renden Fläche (17) weniger als zehn Wellenlängen des
erzeugten Lichts beträgt.
10. Lichtemittierende Halbleiterstruktur nach einem der
Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der
reflektierenden Fläche (17) zusätzlich eine reflektierende
Schicht aufgebracht ist, welche das Reflexionsvermögen für
das in der lichtemittierenden Schicht (3) erzeugte Licht
erhöht.
11. Lichtemittierende Halbleiterstruktur nach einem der
Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zu der
lichtemittierenden Schicht (3) gehörenden Lichtaustrittflächen
derart ausgebildet sind, daß eine lichtemittierende
Diode oder ein Halbleiterlaser entsteht.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19863635686 DE3635686A1 (de) | 1986-10-21 | 1986-10-21 | Lichtemittierende halbleiterstruktur |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE19863635686 DE3635686A1 (de) | 1986-10-21 | 1986-10-21 | Lichtemittierende halbleiterstruktur |
Publications (1)
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ID=6312092
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| DE19863635686 Withdrawn DE3635686A1 (de) | 1986-10-21 | 1986-10-21 | Lichtemittierende halbleiterstruktur |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3635686A1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2320483A1 (de) * | 2009-11-06 | 2011-05-11 | LG Innotek Co., Ltd. | Lichtemittierende Vorrichtung, Gehäuse für lichtemittierende Vorrichtung und Beleuchtungssystem |
-
1986
- 1986-10-21 DE DE19863635686 patent/DE3635686A1/de not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2320483A1 (de) * | 2009-11-06 | 2011-05-11 | LG Innotek Co., Ltd. | Lichtemittierende Vorrichtung, Gehäuse für lichtemittierende Vorrichtung und Beleuchtungssystem |
| US8592843B2 (en) | 2009-11-06 | 2013-11-26 | Lg Innotek Co., Ltd. | Light emitting device, light emitting device package and lighting system |
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