DE69125127T2 - Einzeln ansprechbare oberflächenemittierende Zeile von Halbleiterlasern/lichtemittierenden Dioden mit hoher Packungsdichte - Google Patents

Einzeln ansprechbare oberflächenemittierende Zeile von Halbleiterlasern/lichtemittierenden Dioden mit hoher Packungsdichte

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DE69125127T2
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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf oberflächenemittierende Halbleiter-Laser/lichtemittierende Diodenstrukturen.
  • Die Fähigkeit, eng beabstandete oder hoch dichte, unabhängig adressierbare Laserund lichtemittierende Dioden-(LED)-Quellen herzustellen, ist für viele Anwendungen, wie beispielsweise optische Plattentechnologie, Laserdrucken und -abtasten, optische Zwischenverbindung und faseroptische Kommunikationen, wichtig.
  • Individuelle, lichtemittierende Halbleiter-Dioden und Halbleiter-Laser können für einige dieser Anwendungen eine unzureichende Leistung haben. Felder aus lichtemittierenden Halbleiter-Dioden oder Halbleiter-Lasern können dazu verwendet werden, um den Leistungsausgang zu erhöhen, eine parallele Verarbeitung zu liefern oder ein optisches Systemdesign zu vereinfachen. Um eine gute optische Ausrichtung der lichtemittierenden Elemente des Felds zueinander zu erzielen und aufrechtzuerhalten und um die Montage, die eingesetzt wird, zu minimieren, sind Felder so hergestellt worden, daß die lichtemittierenden Elemente auf einem einzelnen Halbleitersubstrat vorhanden sind.
  • Ein Problem bei solchen Feldern ist das Aufrechterhalten der elektrischen und optischen Isolation zwischen den individuellen, lichtemittierenden Elementen. Ein anderes Problem ist eine Erhöhung der Dichte der lichtemittierenden Elemente in dem Substrat durch enge Beabstandung der Elemente zueinander, während noch die Isolation beibehalten wird, was Wärmeableitungsprobleme vermeidet und eine präzise Ausrichtung der Elemente liefert.
  • Ein anderes Problem ist dasjenige, jedes individuelle, lichtemittierende Element in dem Feld unabhängig adressierbar zu gestalten. Wenn die lichtemittierenden Elemente enger zueinander in höheren Dichten beabstandet sind, ist es zunehmend schwieriger, separat, individuell und unabhängig jedes Element dazu zu bringen, Licht zu emittieren.
  • Typische Laser- und LED-Quellen besitzen Kantenemitter. Das Licht wird von der Kante einer monolithischen Struktur aus Halbleiterschichten emittiert. Ein alternativer Aufbau ist der Oberflächenemitter, wo das Licht von der Oberfläche der monolithischen Struktur der Halbleiterschichten emittiert wird.
  • Oberflächenemittierende Halbleiterlichtquellen haben verschiedene, potentielle Vorteile gegenüber Kantenemittern. Die lichtemittierende Oberfläche eines Oberflächenemitters ist größer als diejenige eines Kantenemitters, wobei deshalb die Leistung, die durch einen Oberflächenemitter erzeugt wird, größer als diejenige eines Kantenemitters ist. Auch ist die Leistung, die benötigt wird, um eine Emission von Licht zu bewirken, geringer für einen Oberflächenemitter als für einen Kantenemitter. Oberflächenemittierende LED's sind effizienter als kantenemittierende LED's, und zwar aufgrund des größeren, emittierenden Bereichs. Die Herstellung von oberflächenemittierenden Lasern kann weniger komplex als die Herstellung von kantenemittierenden Lasern sein, da die Spaltenbildung und die Spiegelpassivierung, die für Kantenemitter benötigt werden, eliminiert sind.
  • Das Dokument EP-A-0 488 772 gemäß Art. 54(3) offenbart ein oberflächenemittierendes LED- oder Laserfeld, das eine n-Begrenzungsschicht auf einem n-Substrat, eine aktive Schicht auf der n-Begrenzungsschicht, eine p-Begrenzungsschicht, die über der aktiven Schicht gebildet ist, eine p-Kontaktschicht, die auf der p-Begrenzung niedergeschlagen ist, besitzt. Ungeordnete Bereiche definieren die lichtemittierenden Bereiche an der Zwischenfläche zwischen der n-Begrenzungsschicht und dem n-Substrat. P-Kontakte sind auf der p-Kontaktschicht vorhanden und über die nicht-ungeordneten Bereiche positioniert, die zu den lichtemittierenden Bereichen ausgerichtet sind. Tröge oder Nuten sind in dem n-Substrat gebildet, um die lichtemittierenden Bereiche freizulegen, und n-Kontakte sind auf den äußeren Oberflächen des n-Substrats, die nicht genutet sind, gebildet.
  • Die US-A-4,831,629 offenbart ein Laserfeld, in dem die individuellen Emitter unter unterschiedlichen, longitudinalen Moden lasern, um die gesamte spektrale Emissionsbandbreite des Laserfelds zu erhöhen. In einer Ausführungsform sind die Laseremitter des Felds mit ungleichen Strombegrenzungsbreiten oder progressiv unterschiedlichen, optischen Gravitätsbreiten hergestellt. In einer anderen Ausführungsform wird ein nicht gleichförmiges Pumpen durch eine nicht gleichförmige oder ungleiche Strombegrenzungsgeometrie errreicht, nämlich die Kontaktschichtgeometrie variiert sich zwischen jedem Emitter in dem Feld.
  • Das Japanese Journal of Applied Physics, Extended Abstracts, 22th Conference Solid State Devices and Materials, 1990, berichtet über eine auf einer Vorderoberfläche emittierenden Laserdiode (FSELD) und eine Oberseitenelektroden-FSELD. Deren Struktur ist ähnlich zu denjenigen von Heteroübergangs-Bipolartransistoren (HBT), so daß sie unter Verwendung eines herkömmlichen HBT-Prozesses und Maskierungssätzen hergestellt wurden. Der Strom fließt durch Passieren des hochen Serien-, widerstandsverteilten Bragg-Reflektor-(DBR)-Stapels und die aktive Schicht wird durch eine sauerstoffimplantierte Halbisolationsschicht umgeben. Diese Konfiguration liefert einen niedrigen Serienwiderstand und einen kleinen Schwellwertstrom von 6 mA für einen Laser mit 25 µm im Durchmesser. Ein FSELD wurde schematisch in Fig. 1 dargestellt, in der sich die n-Elektrode auf der Bodenoberfläche des n-Substrats befindet, der n-DBR ist auf der Oberseitenoberfläche des n-Substrats gebildet, und eine stark beanspruchte QW aktive Schicht, die durch eine sauerstoffimplantierte Halbisolierung umgeben ist, ist auf dem n-DBR gebildet. Ein Oberseiten-p-DBR ist über der aktiven Schicht positioniert, die als ein optischer Spiegel verwendet wird, im Gegensatz zu einem Trägerinjektor, und der p- DBR ist durch eine p-Elektrode umgeben und ruht auf einer sauerstoffimplantierten Halbisolationsschicht. Der Oberseiten-p-DBR ist nicht wesentlich und kann durch Si/AL&sub2;O&sub3;-, dielektrische Stapel für den Oberseitenspiegel ersetzt werden.
  • Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Feld aus Lichtquellen-Oberflächenemittern auf einem einzelnen Substrat zu schaffen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein oberflächenemittierendes, lichtemittierendes Halbleiter-Diodenfeld geschaffen, das aufweist: eine erste Halbleiterbegrenzungsschicht, die auf einem Substrat niedergeschlagen ist, wobei die erste Begrenzungsschicht und das Substrat denselben Leitfähigkeitstyp besitzen, eine aktive Halbleiterschicht, die auf der Begrenzungsschicht niedergeschlagen ist, wobei die aktive Schicht eine Lichtwellenerzeugung und -ausbreitung liefert, eine zweite Halbleiterbegrenzungsschicht, die auf der aktiven Schicht niedergeschlagen ist, wobei die zweite Begrenzungsschicht einen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zu demjenigen der Begrenzungsschicht und des Substrats besitzt, eine Halbleiterkontaktschicht, die auf der zweiten Begrenzungsschicht niedergeschlagen ist, wobei die Kontaktschicht und die zweite Begrenzungsschicht denselben Leitfähigkeitstyp besitzen, ungeordnete Bereiche, die sich durch die Kontaktschicht, die zweite Begrenzungsschicht, die aktive Schicht und mindestens teilweise durch die erste Begrenzungsschicht erstrecken, wobei die ungeordneten Bereiche einen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zu demjenigen der Kontaktschicht und der zweiten Begrenzungsschicht besitzen, einen elektrisch isolierenden Bereich, der auf den ungeordneten Bereichen der Kontaktschicht gebildet ist und jeden der nicht ungeordneten Bereiche umgibt, Kontakte, die auf der Kontaktschicht gebildet sind, wobei jeder der Kontakte auf der Oberfläche der ungeordneten Bereiche der Kontaktschicht vorgesehen ist und zu jedem der nicht ungeordneten Bereiche der Kontaktschicht ausgerichtet ist, mindestens einen Kontakt, der auf dem Substrat gebildet ist, und optische Kavitäten, die zwischen den ungeordneten Bereichen gebildet sind, wobei die optischen Kavitäten eine nicht ungeordnete Kontaktschicht, die nicht ungeordnete zweite Begrenzungsschicht, die nicht ungeordnete aktive Schicht und die nicht ungeordnete, erste Begrenzungsschicht zwischen benachbarten der ungeordneten Bereiche aufweisen, wodurch Strom, der zwischen einem der Kontakte auf der Kontaktschicht und dem mindestens einen Kontakt auf dem Substrat injiziert ist, eine Lichtemission von einem der optischen Kavitäten durch die Oberfläche der Kontaktschicht bewirken wird.
  • Die erste Begrenzungsschicht kann durch einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) ersetzt werden, um ein verbessertes bzw. vergrößertes LED-Feld zu bilden. Demgemäß kann die vorliegende Erfindung umfassen: alternierende Halbleiterschichten, die auf dem Substrat niedergeschlagen sind, wobei die alternierenden Schichten einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) bilden, wobei der DBR und das Substrat denselben Leitfähigkeitstyp besitzen.
  • Alternativ können sowohl die erste als auch die zweite Begrenzungsschicht durch DBR's ersetzt werden, um ein Laserfeld zu bilden. Demgemäß kann die vorliegende Erfindung umfassen: alternierende Halbleiterschichten, die auf dem Substrat niedergeschlagen sind, wobei die alternierenden Schichten einen ersten, verteilten Bragg-Reflektor (DBR) bilden, wobei der erste DBR und das Substrat denselben Leitfähigkeitstyp besitzen; die aktive Halbleiterschicht, die auf dem ersten DBR niedergeschlagen ist, wobei die aktive Schicht eine Lichtwellenerzeugung und -ausbreitung unter lasernden Bedingungen liefert; und alternierende Halbleiterschichten, die auf der aktiven Schicht niedergeschlagen sind, wobei die alternierenden Schichten einen zweiten, verteilten Bragg-Reflektor (DBR) bilden, wobei der zweite DBR einen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zu dem ersten DBR und dem Substrat besitzt.
  • Als eine weitere Alternative kann die erste Begrenzungsschicht durch einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) ersetzt werden und ein dielektrischer Spiegelstapel kann auf der Kontaktschicht gebildet werden, um ein Laserfeld zu bilden. Demgemäß kann die vorliegende Erfindung umfassen: alternierende Halbleiterschichten, die auf einem Substrat niedergeschlagen sind, wobei die alternierenden Schichten einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) bilden, wobei der DBR und das Substrat denselben Leitfähigkeitstyp besitzen; und dielektrische Spiegel, die auf der nicht-ungeordneten Kontaktschicht gebildet sind.
  • Anhand nur eines Beispiels werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines hoch dichten, unabhängig adressierbaren, oberflächenernittierenden Halbleiter-LED-Felds gemäß dieser Erfindung.
  • Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der Draufsicht des LED-Felds der Figur 1.
  • Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht einer modifzierten Form des Felds.
  • Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Seitenaufrisses eines verstärkten, hoch dichten, unabhängig adressierbaren, oberflächenernittierenden Halbleiter-LED- Felds gemäß dieser Erfindung.
  • Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Seitenaufrisses eines anderen, hoch dichten, unabhängig adressierbaren, oberflächenemittierenden Halbleiterlaser-Felds gemäß dieser Erfindung.
  • Figur 6 zeigt eine schamtische Darstellung eines Seitenaufrisses einer alternativen Form eines hoch dichten, unabhängig adressierbaren, oberflächenemittierenden Halbleiter-Felds gemäß dieser Erfindung.
  • Es wird Bezug auf Figur 1 genommen, wo ein hoch dichtes, unabhängig adressierbares, oberflächenemittierendes Halbleiter-Lichtemissions-Dioden-(LED)-Feld 10 dargestellt ist.
  • Das LED-Feld 10 weist ein Substrat 12 aus n-GaAs auf, auf dem epitaxisch eine erste Begrenzungsschicht 14 aus n-AlxGa1-xAs; eine aktive Schicht 16 aus nicht-dotiertem GaAs zum Erzielen einer Lichtwellenerzeugung und -ausbreitung, eine zweite Begrenzungsschicht 18 aus p-AlyGa1-yAs, wobei x = oder ≠ y ist, und eine Kontaktschicht 20 aus p-GaAs niedergeschlagen sind. Das Halbleitermaterial der aktiven Schicht 16 sollte einen schmalen Bandspalt bzw. eine Bandlücke besitzen, während das Halbleitermaterial der Begrenzungsschichten 14 und 18 einen breiten Bandspalt haben sollte. Die zweite Begrenzungsschicht 18 und die Kontaktschicht 20 sollten auch ein Dotierniveau so niedrig wie möglich haben, ohne einen unnötigen Widerstand einzuführen, so daß die Schichten für das Licht, das in der aktiven Schicht erzeugt ist, transparent sind. Das Substrat sollte andererseits stark dotiert sein, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen.
  • Da die zweite Begrenzungsschicht 18 und die Kontaktschicht 20 beide von einer Leitfähigkeit vom p-Typ sind, wird diese Seite des LED-Felds von der aktiven Schicht dahingehend bezeichnet, daß sie die p-Seite des LED-Felds ist. Ähnlich wird, da die erste Begrenzungsschicht 14 und das Substrat 12 beide von einer Leitfähigkeit vom n-Typ sind, diese Seite des LED-Felds von der aktiven Schicht dahingehend bezeichnet, daß es die n-Seite des LED-Felds ist.
  • Die aktive Schicht kann in der Alternativen nicht dotiert sein oder vom p-Typ dotiert sein oder vom n-Typ dotiert sein; GaAs, AlyGa1-yAs oder (AlxGa1-x)&sub0;.&sub5;In&sub0;,&sub5;P; oder eine relativ dünne, herkömmliche, aktive Schicht einer Doppel-Heterostruktur (DH); oder ein Einzel- Quanten-Graben, wie beispielsweise GaAs oder AlyGa1-yAs, wobei y sehr klein ist und y< x ist; oder eine Vielfach-Quanten-Graben-Überstruktur, wie beispielsweise alternierende Schichten aus GaAs und AlyGa1-yAs wobei y< x ist, oder aus alternierenden Schichten aus AlwGA1-wAs und AlBGa1-BAs, wobei B< w< x ist, mit einer zweiten Begrenzungsschicht 18 aus p-AlzGa1-zAs, wobei B< w< z ist; oder einer separaten, einzelnen oder vielfachen Quanten-Graben-Struktur in einer separaten Begrenzungskavität.
  • Wie nach dem Stand der Technik bekannt ist, kann das epitaxiale Wachstum eines LED-Felds 10 durch eine molekulare Strahlepitaxie (MBE) oder ein metallorganisches, chemisches Dampfniederschlagen (MOCVD) durchgeführt werden. Das Substrat 12 kann 100 Mikrometer dick sein. Die Begrenzungsschichten 14 und 18 können jeweils eine Dicke in dem Bereich von 0,1 bis 1 Mikrometer haben. Die aktive Schicht 16 kann eine dünne, herkömmliche Schicht sein, die eine Dicke von 50 bis 300 Nanometer besitzt, oder kann aus einer Überstruktur aus Quanten-Gräben aufgebaut sein, die 3 bis 50 Nanometer dick sein können. Die Kontaktschicht 20 kann eine Dicke in dem Bereich von 10-100 nm (100 bis 1000 Angström) haben.
  • Es sind alternative, herkömmliche Techniken und Diffusions-lmplantierarten zum Ausführen der erwünschten Unordnung oder der elementaren lmplantier/Glüh-Techniken vorhanden. Eine Diskussion nachfolgend wird auf eine störstelleninduzierte Unordnung eingeschränkt. Allerdings sollte angemerkt werden, daß diese anderen Techniken und elementaren Diffusionen oder Implantierungen ebenso anwendbar sind.
  • Unter Abschluß des epitaxialen Anwachsens wird eine Si&sub3;N&sub4;-Maskierung auf der Oberseitenoberfläche 22 der Kontaktschicht 20 mit Öffnungen, die Bereiche der Halbleiterstruktur zu der mittels Störstellen induzierten Unordnung freilegen, gebildet. Die Maskierung schützt die nicht belichteten Bereiche, die das LED bilden werden, die kreisförmig, elliptisch, quadratisch, parallelogrammartig, trapezförmig, dreieckig oder von irgendeiner anderen erwünschten Form oder Größe sein können.
  • Die lichtemittierenden Bereiche werden durch zuerst selektives Diffundieren eines n- Störstellen-Dotiermittels einer hohen Konzentration, wie beispielsweise Silizium, in die Bereiche der Halbleiterstruktur, die durch die Maske freigelegt sind, gebildet. Andere n-Störstellen-Dotierelernente würden Ge und Sn umfassen.
  • Eine Siliziumschicht wird in der Öffnung der Si&sub3;N&sub4;-Maskierung niedergeschlagen und dann mit einer zusätzlichen Schicht aus Si&sub3;N&sub4; abgedeckt. Die Diffusion des Siliziums wird bei einer Temperatur von ungefähr 850ºC durchgeführt und wird für eine ausreichend lange Zeitperiode aufrechterhalten, z.B. sieben bis acht Stunden, um die Kontaktschicht 20, die zweite Begrenzungsschicht 18 und die aktive Schicht 16 zu durchdringen und teilweise die erste Begrenzungsschicht 14 zu durchdringen.
  • Die Diffusion des Siliziums durch die Kontaktschicht 20 von p-GaAs in die aktive Schicht 16 und die Begrenzungsschichten 14 und 18 bewirken ein miteinander Vermischen von Ga und Al in der aktiven Schicht 16 ebenso wie in den Begrenzungsschichten 14 und 18, um dadurch einen induzierten, ungeordneten n-Störstellen-Bereich 24 zu bilden. Die Bearbeitung des LED-Felds wird von nur einer Seite, der p-Seite, des LED-Felds aus vorgenommen.
  • Unter Abschluß der durch Störstellen induzierten Unordnungsschritte werden elektrisch isolierende Bereiche 26 in den ungeordneten Bereichen 24 durch eine Protonen-Implantation über die Oberseitenfläche 22 gebildet, um ein Niveau einer elektrischen Isolation der lichtemittierenden LED-Bereiche zu erzielen, was eine unabhängige Adressierbarkeit jedes individuellen, lichtemittierenden Bereichs erlaubt.
  • Zwischen den ungeordneten Bereichen 24 in dem Halbleiter-LED-Feld sind die lichtemittierenden LED-Felder 28 vorhanden, die aus nicht-ungeordneten Abschnitten der Kontaktschicht 20, der zweiten Begrenzungsschicht 18, der aktiven Schicht 16 und der ersten Begrenzungsschicht 14 bestehen. Die ungeordneten Bereiche, optisch und elektrisch, isolieren und separieren die lichtemittierenden Felder. Die lichtemittierenden Felder sind durch die Begrenzungsschichten in der vertikalen Richtung und die Form der ungeordneten Bereiche der horizontalen Richtung geformt.
  • Standardmäßige, chemische Ätzeinrichtungen oder andere Techniken werden eingesetzt, um Metallkontakte 30 aus Cr/Au oder Ti-Pt-Au auf der Oberseitenoberfläche 22 der Kontaktschicht 20 zu bilden. Jeder Kontakt wird mit jedem ungeordneten Bereich 24 ausgerichtet. Jeder Kontakt ist entweder teilweise ausgerichtet oder nicht mit den elektrisch isolierenden Bereichen 26 für jeden ungeordneten Bereich ausgerichtet. In der Figur sind die Kontakte in der Form ringförmig, allerdings im Querschnitt dargestellt, was die nicht ungeordnete Kontaktschicht 20 und den lichtemittierenden LED-Bereich 28 darunter umgibt. Die Kontakte 30 sind als p-Kontakte bezeichnet, da sie sich auf der p- Seite des LED-Felds befinden.
  • Die Bodenoberfläche 32 des Substrats 12 ist auch mit einem legierten Au-Ge metallisiert, gefolgt durch Cr-Au oder Ti-Pt-Au, um einen Substratkontakt 34 zu bilden. Der Substratkontakt deckt die gesamte Bodenoberfläche des Substrats unter allen ungeordneten Bereichen ab und wird mit Masse in Bezug gesetzt. Der Substratkontakt 34 ist als der n-Kontakt bezeichnet, da er sich auf der n-Seite des LED-Felds befindet.
  • Strom wird zwischen den p-Kontakt 30 und dem n-Kontakt 34 injiziert, um den p-n-Übergang der p-Begrenzungsschicht 18 und der n-Begrenzungsschicht 14 nach vorwärts vorzuspannen, um zu bewirken, daß die aktive Schicht 16 Licht 36 von dem lichtemittierenden Bereich 28 emittiert. Der Strom wird im wesentlichen parallel zu dem lichtemittierenden LED-Bereich, durch den p-Kontakt 30, die p-Kontaktschicht 20, die p-Begrenzungsschicht 18, die aktive Schicht 16 des individuellen, lichtemittierenden Bereichs injiziert und breitet sich dann in die n-Begrenzungsschicht 14 in das Substrat 12 und aus dem n-Kontakt 34 aus.
  • Die Masse oder der n-Kontakt ist für alle lichtemittierenden Bereiche gemeinsam. Allerdings enthält jeder lichtemittierende Bereich oder jedes LED-Element einen p-n-Übergang, der getrennt durch seinen p-Kontakt von all den anderen vorgespannt ist. Da jeder p-Kontakt positiv in Bezug auf Masse vorgespannt ist, fließt Strom nur von jedem p- Kontakt zu Masse. Die elektrisch isolierenden Bereiche und die ungeordneten Bereiche schützen irgendeinen einzelnen p-Kontakt dahingehend, daß er bewirkt, daß angrenzende, lichtemittierende Bereiche Licht emittieren. Ein Fluß zwischen unterschiedlichen p-Kontakten tritt nicht auf, da irgendeine kleine Potentialdifferenz zwischen dem adressierten p-Kontakt und einem benachbarten p-Kontakt einer Umkehrspannung auf dem benachbarten p-Kontakt entspricht.
  • Das Licht wird durch den Emitteroberflächenbereich 36, im wesentlichen senkrecht zu der Oberseitenoberfläche 22 der Kontaktschicht 20, emittiert, wobei demzufolge das LED-Feld 10 eine oberflächenemittierende LED ist. Die Dicke des Substrats 12 und der Substratkontakt 34 verhindern, daß Licht durch die optische Kavität durch die n-Seite des LED-Felds emittiert wird.
  • Die Form des Emitteroberflächenbereichs und das sich ergebende, emittierte Licht werden durch die Form der lichtemittierenden LED-Bereiche bestimmt, die kreisförmig, elliptisch, quadratisch, parallogrammartig, trapezförmig, dreieckig oder von irgendeiner anderen Form oder Größe sein können. In der vorliegenden Figur sind, obwohl dies im Querschnitt dargestellt ist, die Emitteroberflächenbereiche kreisförmig durch den ringförmigen p-Konktakt umgeben. Das emittierte Licht selbst kann entweder eine kontinuierliche Welle oder ein Impuls sein.
  • Typischerweise besitzt das LED-Feld 10 einen Betriebsstrom von etwa 10 Milliampère mit einer Ausgangsleistung von etwa 30 Mikrowatt pro einzelnes Lichtemittierelement.
  • Die p-GaAs-Kontaktschicht 20 kann durch chemisches Ätzen oder eine andere Maßnahme von dem Emitteroberflächenbereich 36 des lichtemittierenden LED-Bereichs entfernt werden, was die zweite Begrenzungsschicht 18 darunter freilegt, um eine Lichtemission zu erleichtern. Der Emitteroberflächenbereich kann mit einer antireflektiven Beschichtung, wie beispielsweise eine dünne (30 Nanometer) Schicht aus eine Al&sub2;O&sub3;, beschichtet werden, um eine Lichtemission zu erleichtern.
  • Figur 2 zeigt eine Draufsicht des LED-Felds der Figur 1, die eine Oberseitenoberfläche 22 der Kontaktschicht darstellt, mit einem linearen Feld aus kreisförmigen Emitteroberflächenbereichen 36 der lichtemittierenden LED-Bereiche, wo das Licht durch die Kontaktschichtoberfläche innerhalb der ringförmigen p-Kontakte 30 emittiert wird. Der kreisförmige Ring des p-Kontakts ist durch eine Kontaktbahn 38 mit einer Energieanschlußfläche 40 verbunden, um Strom zu jedem individuellen LED-Element zu liefern, was jedes LED-Element separat und unabhängig adressierbar gestaltet. Die Kontaktbahnen und die befestigten Energieanschlußflächen befinden sich entlang derselben Seite auf der Oberseitenoberfläche der Kontaktschicht. Die Kontaktbahn und die Energieanschlußfläche können zur selben Zeit und durch dasselbe Verfahren wie die p-Kontakte oder durch eine andere Maßnahme, die dem Fachmann auf dem betreffenden Fachgebiet bekannt ist, gebildet werden.
  • Die elektrisch isolierenden Bereiche 26 sind, wie durch die unterbrochene Linie in der Figur dargestellt, auch ringförmig in der Form, die die ringförmigen p-Kontakte und die kreisförmigen Emitteroberflächenbereiche umgeben. Die Kontaktbahn ist über den isolierenden Bereich niedergeschlagen worden, um Strom zu ermöglichen, daß er von der Energieanschlußfläche zu dem p-Kontakt fließt.
  • Mit einem ungefähren Durchmesser von einem Mikron der kreisförmigen Emitteroberflächenbereiche 36 beträgt die Beabstandung 42 von der Mitte 44 eines individuellen LED- Elements zu der Mitte 44 des nächsten LED-Elements, gemessen von den Emitteroberflächenbereichen aus, ungefähr 2 % bis 3 Mikrometer, was eine hohe Dichte von LED's in dem Feld liefert. Die Störstellen, die durch Unordnung induziert sind, liefern eine akkurate Mitte, um eine Beabstandung der einzelnen LED-Elemente zu zentrieren.
  • Die kreisförmige Art des Emitteroberflächenbereichs, die ringförmigen Formen des p- Kontakts und die elektrisch isolierenden Bereiche und die Linearität der Ernitteroberflächenbereiche sind lediglich erläuternde Beispiele. Wie in Figur 3 dargestellt ist, können die Ernitteroberflächenbereiche 46 elliptisch zu Finger-p-Kontakt-Bahnen 48 sein, die mit Energieanschlußflächen 50 verbunden sind. Die Fingerkontakte müssen nur auf einer Seite des Emitteroberflächenbereichs vorhanden sein und innerhalb des quadratischen, elektrischen, isolierenden Bereichs 52 (in unterbrochenen Linien). Die Fingerkontakte und die Energieanschlußflächen müssen nicht auf derselben Seite der Kontaktschicht 54 vorhanden sein.
  • Die Beabstandung von einem individuellen LED-Element zu dem nächsten individuellen LED-Element kann ungefähr 2 Mikrometer mit der Verwendung der Fingerkontakte entgegengesetzt zu den kreisförmigen Ringkontakten betragen. Ähnlich liefert das abgestufte oder abgesetzte Feld aus Emitteroberflächenbereichen in der Figur auch eine höhere Dichte der LED-Elemente.
  • Die Form des Emitteroberflächenbereichs wird durch die Form der lichtemittierenden LED-Bereiche bestimmt, die kreisförmig, elliptisch, quadratisch, parallogrammartig, trapezförmig, dreieckig oder von irgendeiner anderen Form oder Größe sein kann. Die elektrisch isolierenden Bereiche können auch von irgendeiner Form sein und müssen nicht von derselben Form wie der p-Kontakt sein. Die elektrisch isolierenden Bereiche können sich sogar mit deren Kanten überlappen.
  • Der p-Kontakt kann entweder der Form des Emitteroberflächenbereichs folgen oder nicht der Form folgen oder nur weniger als den Umfang der Form des Emitteroberflächenbereichs kontaktieren. Die einzige, praktische geometrische Einschränkung ist diejenige, daß der p-Kontakt innerhalb des elektrisch isolierenden Bereichs, der den ungeordneten Bereich berührt, vorhanden sein muß. Der p-Kontakt, der Bahnenkontakt und die verbundene Energieanschlußfläche können gemustert auf der Kontaktschicht, wie es auf dem Gebiet der Halbleitertechnik bekannt ist, aufgebaut sein.
  • Der Treiberschaltkreis für die p-Kontakte und die notwendigen Verbindungsanschlußflächen können auf einem Silizium-Chip, nicht dargestellt, die flach gegen die Oberseitenoberfläche des LED-Felds plaziert sind, hergestellt sein. Der Silizium-Chip würde optisch für die Lichtemission von der Oberfläche des LED-Felds transparent sein oder würde eine geeignete Öffnung oder einen Graben besitzen, die in dem Chip eingeätzt sind, um so eine Lichttransmission zu ermöglichen. Alternativ kann ein elektronischer Treiberschaltkreis auf dem Halbleiter-LED-Feld oder separat oder angrenzend an das Feld oder auf oder in dem Substrat des Halbleiterfelds hergestellt sein.
  • In Figur 4 ist ein verstärktes LED-Feld 56 einer identischen Struktur zu dem LED-Feld 10 der Figur 1 gezeigt, mit der Ausnahme, daß die n-Begrenzungsschicht 14 in der Figur 1 durch einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) 58 in Figur 4 ersetzt worden ist.
  • Demzufolge weist das LED-Feld 56 ein Substrat 60 aus n-GaAs auf, auf dem epitaxisch ein n-DBR 58 alternierender Schichten aus n-AlxGa1-xAs und n-AlyGa1-yAs wobei x &ne; y, einer aktiven Schicht 62 aus nicht-dotiertem G s zum Liefern einer Lichtwellenerzeugung und -ausbreitung, einer Begrenzungsschicht 64 aus p-AlzGa1-zAs,, wobei z &ne; x oder y, und einer Kontaktschicht 66 aus p-GaAs niedergeschlagen sind.
  • Die N-störstelleninduzierten, ungeordneten Bereiche 68 sind in der verstärkten LED- Anordnung 56 gebildet, die sich durch Bereiche der Kontaktschicht 66, der p-Begrenzungsschicht 64, der aktiven Schicht 62 und des n-DBR 58 erstrecken. Elektrisch isolierende Bereiche 70 sind in den ungeordneten Bereichen 68 durch die Oberseitenoberfläche 72 der Kontaktschicht 66 gebildet. P-Kontakte 74 sind auf der Kontaktschicht 66 gebildet, die zu jedem ungeordneten Bereich 68 ausgerichtet ist, und ein n- Kontakt 76 ist auf dem Substrat 60 gebildet.
  • Zwischen den ungeordneten Bereichen 68 in dem verstärkten LED-Feld 56 sind die verstärkten, lichtemittierenden LED-Bereiche 78, die aus den nicht-ungeordneten Abschnitten der Kontaktschicht 66, der p-Begrenzungsschicht 64, der aktiven Schicht 62 und des n-DBR 58 bestehen, vorhanden. Der n-DBR ist so aufgebaut, daß er eine Reflektivität so nahe wie möglich zu eins besitzt.
  • Das Licht wird durch den Emitteroberflächenbereich 80, im wesentlichen senkrecht zu der Oberseitenoberfläche 72 der Kontaktschicht 66, emittiert. Der n-DBR reflektiert Licht, das emittiert ist, durch die optische Kavität zu der n-Seite des LED-Felds hin zurück durch den Oberflächenbereich auf der p-Seite des LED-Felds, um so die Höhe der Lichtemission des LED-Felds zu verstärken.
  • Typischerweise besitzt das verbesserte LED-Feld 56 einen Betriebsstrom von etwa 10 Milliampère mit einer Ausgangsleistung von etwa 60 Mikrowatt.
  • In Figur 5 ist das Laserfeld 82 von einer identischen Struktur zu dem verbesserten LED- Feld 56 der Figur 4 mit der Ausnahme, daß die p-Begrenzungsschicht 64 der Figur 4 durch einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) 84 in Figur 5 ersetzt ist und daß die aktive Schicht 62 der Figur 4, die eine Lichtwellenerzeugung und -ausbreitung liefert, durch eine aktive Schicht 86 in Figur 5 ersetzt worden ist, die eine Lichtwellenerzeugung und -ausbreitung unter lasernden Bedingungen liefert.
  • Demzufolge weist das Laserfeld 82 ein Substrat 88 aus n-GaAs auf, auf das epitaxisch ein n-DBR 90 alternierender Schichten aus n-AlxGa1-xAs und n-AlyGa1-yAs, wobei x &ne; y, einer aktiven Schicht 86 aus nicht-dotiertem GaAs zum Liefern einer Lichtwellenerzeugung und -ausbreitung unter lasernden Bedingungen, einer p-DBR 84 alternierender Schichten aus p-AlaGa1-aAs und p-AlbGa1-bAs, wobei a &ne; b, und einer Kontaktschicht 92 aus p-GaAs niedergeschlagen sind.
  • N-störstelleninduzierte, ungeordnete Bereiche 94 sind in dem Laserfeld 82 gebildet, das sich durch Bereiche der Kontaktschicht 92, des p-DBR 84, der aktiven Schicht 86 und dem n-DBR 90 erstreckt. Elektrisch isolierende Bereiche 96 sind in den ungeordneten Bereichen 94 durch die Oberseitenoberfläche 98 der Kontaktschicht 92 gebildet. P-Kontakte 100 sind auf der Kontaktschicht 92, ausgerichtet mit jedem ungeordneten Bereich 94, gebildet, und ein n-Kontakt 102 ist auf dem Substrat 88 gebildet.
  • Zwischen den ungeordneten Bereichen 94 in dem Laserfeld 82 sind die optischen Laserkavitätsbereiche 104, die aus den nicht-ungeordneten Abschnitten der Kontaktschicht 92, dem p-DBR 84, der aktiven Schicht 86 und dem n-DBR 90 bestehen, vorhanden. Der n-DBR ist so aufgebaut, daß er eine Reflektivität so nahe wie möglich zu eins besitzt, während der p-DBR mit einer Reflektivität nahe zu eins, allerdinigs geringer als diejenige des n-DBR, aufgebaut ist.
  • Das Licht wird durch den Oberflächenbereich 106, im wesentlichen senkrecht zu der Oberseitenoberfläche 98 der Kontaktschicht 92, emittiert. Da das Licht von einer optischen Laserkavität stammt, ist es natürlich kohärent. Das emittierte Licht kann von kontinuierlicher Welle oder gepulst sein.
  • Typischerweise besitzt das Laserfeld 82 einen Schwellwertstrom von 1 bis 5 Milliampère und einen Betriebsstrom von etwa 10 Milliampère mit einer Ausgangsleistung von etwa 1 bis 3 Milliwatt. Schwellwertströme geringer als 1 Milliampère sind auch für das Laserfeld möglich.
  • In Figur 6 ist das Laserfeld 108 von identischer Struktur zu dem verstärkten LED-Feld 56 der Figur 4, mit der Ausnahme, daß ein dielektrischer Spiegelstapel 110 auf der Oberseitenoberfläche 112 der Kontaktschicht 114 gebildet ist, ausgerichtet zu der optischen Kavität 116 in Figur 6 und einen Teil davon bildend, die den lichternittierenden Bereich 78 in Figur 4 ersetzt, und daß die aktive Schicht 62 der Figur 4, die eine Lichtwellenerzeugung und -ausbreitung liefert, durch eine aktive Schicht 118 in Figur 6 ersetzt worden ist, die eine Lichtwellenerzeugung und -ausbreitung unter lasernden Bedingungen liefert.
  • Demzufolge weist das Laserfeld 108 ein Substrat 120 aus n-GaAs auf, auf dem epitaxisch ein n-DBR 122 alternierender Schichten aus n-AlxGa1-xAs und n-AlyGa1-yAs wobei x &ne; y, einer aktiven Schicht 118 aus nicht-dotiertem GaAs zum Schaffen einer Lichtwellenerzeugung und -ausbreitung unter lasernden Bedingungen, einer Begrenzungsschicht 124 aus p-AlzGa1-zAs, wobei z &ne; x oder y, und einer Kontaktschicht 114 aus p- GaAs niedergeschlagen ist.
  • N-störstelleninduzierte, ungeordnete Bereiche 128 sind in dem Laserfeld 108, das sich durch Bereiche der Kontaktschicht 114, der p-Begrenzungsschicht 124, der aktiven Schicht 118 und dem n-DBR 122 erstrecken, gebildet. Elektrisch isolierende Bereiche 130 sind in den ungeordneten Bereichen 128 durch die Oberseitenoberfläche 112 der Kontaktschicht 114 gebildet.
  • Der dielektrische Spiegelstapel 110 kann auf der Oberseitenoberfläche 112 der Kontaktschicht 114 durch Dampfniederschlagen gebildet sein. Der Stapel 110 ist aus sechs alternierenden Schichten aus Al&sub2;O&sub3; und Si einer Viertelwellenlänge Dicke aufgebaut, was eine Gesamtdicke des dielektrischen Spiegelstapels von ungeführ 500 nm (5 tausend Ångström) bilden wird. Der Stapel ist mit dem nicht-ungeordneten Abschnitt der Kontaktschicht 114 ausgerichtet. P-Kontakte 130A sind auf der Kontaktschicht 114 gebildet, die zu jedem ungeordneten Bereich 128 ausgerichtet ist, und ein n-Kontakt 132 ist auf dem Substrat 120 gebildet.
  • Zwischen den ungeordneten Bereichen 128 in dem verstärkten LED-Feld 108 sind die optischen Laserkavitätsbereiche 116, die aus dem dielektrischen Spiegelstapel 110, und nicht-ungeordnete Abschnitte der Kontaktschicht 114, der p-Begrenzungsschicht 124, der aktiven Schicht 118 und dem n-DBR 122 bestehen. Der n-DBR ist so aufgebaut, daß er eine Reflektivität so nahe wie möglich zu eins besitzt, während der dielektrische Spiegelstapel mit einer Reflektivität nahe zu eins, allerdings geringer als diejenige des n-DBR, aufgebaut ist.
  • Das Licht wird durch den Emitteroberflächenbereich 134, im wesentlichen senkrecht zu der Oberseitenoberfläche 136 des dielektrischen Spiegelstapels 110, emittiert. Da das Licht von einer laseroptischen Kavität stammt, ist es natürlich kohärent. Das emittierte Licht kann von entweder kontinuierlicher Welle oder gepulst sein.
  • In der Alternativen ist der dielektrische Spiegelstapel allgemein aus alternierenden Schichten zwei unterschiedlicher Materialien aufgebaut, die sich im Brechungsindex, wie dies nach dem Stand der Technik bekannt ist, unterscheiden. Andere Materialien würden alternierende Schichten aus GaAs und GaAlAs oder alternierende Schichten aus SiO&sub2; und TiO&sub2; umfassen.
  • Die Emitteroberflächenbereiche der verschiedenen, oberflächenemittierenden LED-, der verstärkten LED- und der Laser-Felder, die vorstehend beschrieben sind, können geätzt sein, um Fresnel-Linsen zu bilden, um zu divergieren, kollimieren, zu fokussieren oder in anderer Weise das emittierte Licht optisch zu modifizieren. Ein Mikrolinsenfeld kann angrenzend an die oberflächenemittierenden Bereiche positioniert sein, um ähnlich optisch das emittierte Licht zu modifizieren. Eine transparente, refraktive Schicht kann zwischen der p-Begrenzungsschicht oder dem p-DBR und der Kontaktschicht niedergeschlagen sein, um das emittierte Licht zu divergieren. Die Halbleiter-, oberflächenemittierenden Laser/lichtemittierenden Diodenfelder können auch in zweidimensionalen Feldern gebildet sein.

Claims (6)

1. Oberflächenemittierendes, lichtemittierendes Halbleiter-Dioden-(LED)-Feld, das aufweist:
eine erste Halbleiterbegrenzungsschicht (14), die auf einem Substrat (12) niedergeschlagen ist, wobei die erste Begrenzungsschicht und das Substrat denselben Leitfähigkeitstyp besitzen,
eine aktive Halbleiterschicht (16), die auf der Begrenzungsschicht niedergeschlagen ist, wobei die aktive Schicht eine Lichtwellenerzeugung und -ausbreitung liefert,
eine zweite Halbleiterbegrenzungsschicht (18), die auf der aktiven Schicht niedergeschlagen ist, wobei die zweite Begrenzungsschicht einen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zu demjenigen der Begrenzungsschicht und des Substrats besitzt,
eine Halbleiterkontaktschicht (20), die auf der zweiten Begrenzungsschicht niedergeschlagen ist, wobei die Kontaktschicht und die zweite Begrenzungsschicht denselben Leitfähigkeitstyp besitzen,
ungeordnete Bereiche (24), die sich durch die Kontaktschicht (20), die zweite Begrenzungsschicht (18), die aktive Schicht (16) und mindestens teilweise durch die erste Begrenzungsschicht (14) erstrecken, wobei die ungeordneten Bereiche einen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zu demjenigen der Kontaktschicht und der zweiten Begrenzungsschicht besitzen,
einen elektrisch isolierenden Bereich (26), der auf den ungeordneten Bereichen der Kontaktschicht (20) gebildet ist und jeden der nicht ungeordneten Bereiche umgibt,
Kontakte (30), die auf der Kontaktschicht gebildet sind, wobei jeder der Kontakte auf der Oberfläche der ungeordneten Bereiche der Kontaktschicht vorgesehen ist und jeden der nicht ungeordneten Bereiche der Kontaktschicht umgibt,
mindestens einen Kontakt (32), der auf dem Substrat (12) gebildet ist, und
optische Kavitäten, die zwischen den ungeordneten Bereichen gebildet sind, wobei die optischen Kavitäten eine nicht ungeordnete Kontaktschicht, die nicht ungeordnete zweite Begrenzungsschicht, die nicht ungeordnete aktive Schicht und die nicht ungeordnete erste Begrenzungsschicht zwischen benachbarten der ungeordneten Bereiche aufweisen, wodurch Strom, der zwischen einem der Kontakte auf der Kontaktschicht und dem mindestens einen Kontakt auf dem Substrat injiziert ist, eine Lichtemission von einem der optischen Kavitäten durch die Oberfläche der Kontaktschicht bewirken wird.
2. Feld nach Anspruch 1, wobei das Substrat der ersten Begrenzungsschicht und die ungeordneten Bereiche eine Leitfähigkeit vom n-Typ besitzen und die zweite Begrenzungsschicht und die Kontaktschicht eine Leitfähigkeit vorn p-Typ besitzen.
3. Feld nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei Bereiche der Kontaktschicht, wo Licht durch die Oberfläche der Kontaktschicht emittiert wird, entfernt sind, um die zweite Begrenzungsschicht darunter freizulegen.
4. Feld nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Halbleiterbegrenzungsschicht ersetzt ist durch:
alternierende Halbleiterschichten, die auf dem Substrat niedergeschlagen sind, wobei die alternierenden Schichten von einem verteilten Bragg-Reflektor, DBR, sind, wobei der DBR (58) und das Substrat denselben Leitfähigkeitstyp besitzen.
5. Feld nach Anspruch 4, das weiterhin so modifiziert ist, um ein oberflächenemittierendes Halbleiterlaserfeld zu bilden, in dem die aktive Schicht eine Lichtwellenerzeugung und -ausbreitung unter lasernden Bedingungen liefert, wobei die Modifikation das Ersetzen der zweiten Haibleiterschicht aufweist durch:
alternierende Halbleiterschichten&sub3; die auf der aktiven Schicht niedergeschlagen sind&sub3; wobei diese alternierende Schichten einen zweiten, verteilten Bragg-Reflektor, DBR, bilden, wobei der zweite DBR 84 einen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zu dem ersten DBR und dem ersten Substrat (Fig. 5) besitzt.
6. Feld nach Anspruch 4, das weiterhin so modifiziert ist, um ein oberflächenemittierendes Halbleiterlaserfeld zu bilden, in dem die aktive Schicht eine Lichtwellenerzeugung und -ausbreitung unter lasernden Bedingungen liefert, wobei die Modifikation dielektrische Spiegel 110, die auf der nicht-ungeordneten Kontaktschicht gebildet sind, schafft, derart, daß Strom, der zwischen einem der Kontakte auf der Kontaktschicht und dem mindestens einen Kontakt auf dem Substrat injiziert wird, eine Lichtemission durch die Oberfläche der dielektrischen Spiegel bewirken wird.
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