FI117955B - Suuren hyötysuhteen omaava puolijohdevalolähde ja menetelmä sen valmistamiseksi - Google Patents
Suuren hyötysuhteen omaava puolijohdevalolähde ja menetelmä sen valmistamiseksi Download PDFInfo
- Publication number
- FI117955B FI117955B FI20010878A FI20010878A FI117955B FI 117955 B FI117955 B FI 117955B FI 20010878 A FI20010878 A FI 20010878A FI 20010878 A FI20010878 A FI 20010878A FI 117955 B FI117955 B FI 117955B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- semiconductor
- light source
- energy threshold
- semiconductor light
- layers
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 115
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 21
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims description 11
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 68
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 10
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 241000880493 Leptailurus serval Species 0.000 description 2
- ILVGMCVCQBJPSH-WDSKDSINSA-N Ser-Val Chemical compound CC(C)[C@@H](C(O)=O)NC(=O)[C@@H](N)CO ILVGMCVCQBJPSH-WDSKDSINSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000012364 cultivation method Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000003304 gavage Methods 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/36—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
- H01L33/38—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes with a particular shape
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/10—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a light reflecting structure, e.g. semiconductor Bragg reflector
- H01L33/105—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a light reflecting structure, e.g. semiconductor Bragg reflector with a resonant cavity structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/44—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the coatings, e.g. passivation layer or anti-reflective coating
- H01L33/46—Reflective coating, e.g. dielectric Bragg reflector
- H01L33/465—Reflective coating, e.g. dielectric Bragg reflector with a resonant cavity structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
- H01S5/3211—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
117955
J
Suuren hyötysuhteen omaava puolijohdevalolähde ja menetelmä sen valmistamiseksi
Nyt esillä oleva keksintö kohdistuu pintaemittoivaan puolijohdevalo-5 lähteeseen, joka käsittää substraatin, substraatin päälle kasvatetun ainakin ensimmäisen ja toisen puolijohdepeilipinon, joissa kukin puoli-johdepeili käsittää suuren energiavallikerroksen sekä ainakin yhden pienemmän energiavallikerroksen ja ainakin yhdessä puolijohdepeilis-sä pienemmät energiavallikerrokset on muodostettu vain yhdelle puo-10 lelle suurta energiavallikerrosta, sekä menetelmään pintaemittoivan puolijohdevalolähteen valmistamiseksi, jossa menetelmässä substraatin päälle kasvatetaan ainakin ensimmäinen ja toinen puolijohdepeili-pino, joissa kuhunkin puolijohdepeiliin muodostetaan suuri energiavallikerroksen sekä ainakin yksi pienempi energiavallikerros, ja ainakin 15 yhteen puolijohdepeiliin pienemmät energiavallikerrokset muodostetaan vain yhdelle puolelle suurta energiavallikerrosta.
Punaisella aallonpituudella valoa emittoivia resonanssikaviteetti-LED (RC-LED) valolähteitä ja vertikaalisesti emittoivia laservalolähteitä 20 (VCSEL) voidaan käyttää monissa eri sovelluksissa, kuten tiedonvälitysjärjestelmissä, integroiduissa piireissä optisena liitäntärajapintana, .. optisissa tietojenkäsittelylaitteissa jne. Mainituille ’;v on ominaista, että ne emittoivat valoa vertikaalisesti, eli olennaisesti * \ kohtisuorassa suunnassa puolijohteen pintaan nähden. Tällaisella ver- \v 25 tikaalisesti emittoivilla puolijohdevalolähteillä on monia etuja horison-
Ml taalisesti eli puolijohteen reunoista emittoiviin puolijohdevalolähteisiin nähden. Useita tällaisia vertikaalisesti emittoivia puolijohdevalolähteitä voidaan sijoittaa matriisimuotoon ilman valon suuntaamisessa tarvitta- • · * via erityisjärjestelyjä. Lisäksi vertikaalisesti emittoiva puolijohdevalo- ! 30 lähde muodostaa olennaisesti ympyrämäisen valokeilan, mikä on optimaalinen ajatellen erityisesti valon kytkemistä optiseen kuituun.
• * * * «
Resonanssikaviteetti-LED-valolähteillä ja vertikaalisesti emittoivilla la- *···. servalolähteillä on hyvin samankaltainen rakenne. Tällainen puolijoh- :T 35 devalolähde sisältää n- ja p-tyyppisesti (Si tai Be) seostettuja :*'*.* ΑΙχΘβγΙΠι.χ.γΑθζΡνζ—Distributed Bragg-puolijohdepeilejä (DBR). Näi- • * den puolijohdepeilien avulla saadaan kvanttikaivokomponentti emittoi- «·· « · • · · .
• ·* • * 1 117955 2 maan valoa olennaisesti kohtisuoraan pintaansa nähden. Puolijohde-valolähde koostuu kahden DBR-peilipinon väliin sijoitetusta aktiivialu-eesta, johon on muodostettu onkalo, josta valo emittoituu. Tämän aktii-vialueen yli muodostuu puolijohderajapinta (p-n- tai p-i-n-liitos). Aktii-5 vialue voi vielä käsittää yhden tai useamman kvanttikaivokerroksen. Puolijohteen ylä- ja alapintaan muodostetaan elektrodikerrokset sähkön johtamiseksi puolijohde valolähteeseen. Tällöin toisessa elektrodissa on ainakin yksi aukko aktiivialueen kohdalla, jotta emittoituva valo pääsee säteilemään puolijohdevalolähteestä. Esimerkiksi patenttijul-10 kaisussa US-5,493,577 on esitetty eräs tällainen puolijohdevalolähde-rakenne ja menetelmä sen valmistamiseksi. Oheisissa kuvissa 1a—1d on esitetty tällaisten tunnetun tekniikan mukaisten puolijohdevaloläh-teiden energiavallirakennetta. Kuvista voidaan havaita, että DBR-puo-lijohdepeilien rakenne on symmetrinen siten, että suuren energiavalli-15 kerroksen (high bandgap layer) molemmille puolille on muodostettu energiavara kaventavat kerrokset (barrier reduction layers). Näiden energiavara kaventavien kerrosten tarkoituksena on helpottaa varauk-senkuljettajien siirtymistä suuren energiavallin yli.
20 Resonanssikaviteetti-LED-valolähteitä ja vertikaalisesti emittoivia la- servalolähteitä voidaan valmistaa siten, että puolijohdesubstraatille tVt kasvatetaan epitaksiaalinen kerroksellinen kaivorakenne esimerkiksi ',:v molekyylisuihkuepitaksiaalimenetelmällä (MBE-menetelmä ja sen ' y muunnelmat, kuten solid-source MBE eli SSMBE). Substraatti on joko :.v 25 galliumarsenidiä tai indiumfosfidia. Tälle substraatille kasvatettuun kai- • * vorakenteeseen prosessoidaan valoa lähettävä komponentti (RC-LED '**·: tai VCSEL) erilaisilla komponentin prosessointiin liittyvillä syövytys- ja j* * kasvatusmenetelmillä. Puolijohdesubstraatille muodostettavien kalvo- • 4 · jen lukumäärä voi eri sovelluksissa vaihdella. Tyypillisesti yhdelle 30 substraattina käytettävälle puolijohdekiekolle muodostetaan useita komponentteja kerrallaan, jotka valmistuksen loppuvaiheessa irrote-. taan ja koteloidaan, jolloin niiden käsittely on helpompaa ja komponen- *;.! tit ovat paremmin suojattuja ympäristöolosuhteita ja mekaanisia rasi- **: , tuksia vastaan.
:*:* 35 ·" Eräänä ongelmana tunnetun tekniikan mukaisissa resonanssikaviteetti- »· · LED-valolähteissä ja vertikaalisesti pintaemittoivissa laservalolähteissä • * · • · « · « ···.· • · 117955 3 on se, että niiden hyötysuhde on suhteellisen huono. Tällöin suuri osa puolijohdevalolähteeseen johdettavasta sähkötehosta muuttuu lämmöksi, mikä rajoittaa puolijohdevalolähteeseen johdettavan sähkötehon määrää tai edellyttää erityisiä jäähdytysjärjestelmä, ettei puolijohdeva-5 lolähteen suurinta sallittua lämpötilaa ylitetä. Lisäksi riittävän valotehon aikaansaamiseksi tunnetun tekniikan mukaisessa puolijohdevaloläh-teissä on käytettävä useita puolijohdepeilejä, mikä käytännössä tarkoittaa sitä, että puolijohdevalolähteen valmistuksessa on useita kasvatusvaiheita tarvittavan kerrosrakenteen aikaansaamiseksi.
10
Nyt esillä olevan keksinnön tarkoituksena on mm. aikaansaada suuren hyötysuhteen omaava ja korkeita lämpötiloja nykyistä paremmin kestäviä resonanssikaviteetti-LED-valolähde ja vertikaalisesti emittoiva la-servalolähde punaiselle aallonpituusalueelle 620—690 nm (nanomet-15 riä) ja infrapuna-alueelle 800—1600 nm, ja kehittää menetelmä tällaisten puolijohdevalolähteiden valmistamiseksi. Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että puolijohdepeilien rakenne muodostetaan epäsymmetriseksi siten, että energiavara kaventavat kerrokset on sijoitettu suuren energiavallikerroksen yhdelle puolelle, enemmistövarauksenkuljettajien 20 kulkusuunnassa ennen mainittua suurta energiavallikerrosta. Nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle puolijohdevalolähteelle on pääasiassa tunnusomaista se, että pienemmät energiavallikerrokset on muodos- v. tettu enemmistövarauksenkuljettajien kulkusuunnassa ennen suurta • · : ** energiavallikerrosta. Nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle menetel- 0/ 25 mälle on pääasiassa tunnusomaista se, että pienemmät energiavalli- kerrokset muodostetaan enemmistövarauksenkuljettajien kulkusuun-····; nassa ennen suurta energiavallikerrosta. Lisäksi rakenne voi sisältää ,· · ns. Distributed Bragg Reflector (DBR)-peilejä, joissa seostettujen epä- puhtausatomien pitoisuudet eivät ole tasaisesti jakautuneet DBR-pei-30 leissä, vaan siten kuin jäljempänä selostetaan.
Nyt esillä olevalla keksinnöllä saavutetaan merkittäviä etuja tunnetun '·'1 tekniikan mukaisiin RC-LED- ja VCSEL-puolijohdevalolähteisiin ja nii- den valmistusmenetelmiin verrattuna. Keksinnön mukaisilla puolijohde- * · :1:1 35 valolähteillä on merkittävässä määrin suurempi hyötysuhde ja parempi .···. lämmön kestävyys kuin tunnetun tekniikan mukaisissa pintaemittoivis- *·]· sa puolijohdevalolähteissä. Paremmalla lämmönkestävyydellä tarkoi- t * lii » • · · * ·1 • 1 117955 4 tetaan, että valoteho korkeissa lämpötiloissa laskee vähemmän kuin vastaava valoteho tunnetun tekniikan mukaisissa RC-LED- ja VCSEL-puolijohdevalolähteissä. Lisäksi keksinnön mukainen pintaemittoiva puolijohdevalolähde on rakenteeltaan yksinkertaisempi kuin vastaavan 5 valotehon muodostava tunnetun tekniikan mukainen pintaemittoiva puolijohdevalolähde. Keksinnön mukaisen puolijohdevalolähteen yksinkertaisempi rakenne vähentää myös valmistuksessa tarvittavia eri vaiheita ja näin ollen nopeuttaa valmistusprosessia, jolloin myös keksinnön mukaisen puolijohdevalolähteen valmistuskustannukset ovat 10 pienemmät kuin tunnetun tekniikan mukaisten puolijohdevalolähteiden valmistuskustannukset.
Nyt esillä olevaa keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viitaten samalla oheisiin piirustuksiin, joissa 15 kuvat 1a-1d esittävät tyypillisiä tunnetun tekniikan mukaisia pintaemittoivien puolijohdevalolähteiden energiavalli-rakenteita, 20 kuvat 2a ja 2b esittävät keksinnön eräiden edullisten suoritusmuotojen mukaisia puolijohdevalolähteiden energiavallirakenteita, :.v kuvat 3a-3d esittävät eräitä heteroliitosten vyösidoksia kahden j1v kerroksen välisten seossuhteiden funktiona, : : 25 * 1 kuva 4a esittää keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisen puolijohdevalolähteen ontelorakennetta, jossa ,· · on ohuita suuria energiavallikerroksia, • · 30 kuva 4b havainnollistaa ontelorakenteen ja puolijohdevalolähteen emittoivan valon aallonpituuden välisiä suhteita pelkistettynä kaaviona, I » e 1 • * 1 1 kuvat 5a ja 5b esittävät eräitä edullisia elektrodirakenteita käytettäväksi • » ,·:1 35 keksinnön mukaisissa puolijohdevalolähteissä, ja * • > 1 ♦ * • · · .
• ·
IM
* * » « 1 » »·· • · 117955 5 kuva 6 esittää pelkistettynä poikkileikkauksena keksinnön erään edullisen suoritusmuodon puolijohdevalolähteen rakennetta.
5 Puolijohdekiekkojen valmistuksessa käytetään tunnetusti puolijohde-tankoa, joka on muodostettu halutusta puolijohdemateriaalista, kuten galliumarsenidista. Puolijohdetangon tulee olla mahdollisimman puhdas, jotta lopputuloksena saatavasta komponentista tulisi mahdollisimman hyvälaatuinen. Puolijohdetangosta leikataan puolijohdekiekkoja 10 joko kidesuuntaan [100], tai siten, että kidesuunta poikkeaa suunnasta [100], Leikattaessa puolijohdetanko vinoon, leikkausjälki ei mikro-skooppisesti tarkasteltuna ole tasainen, vaan siinä on selkeä porrastus, joka määräytyy kidesuuntien mukaan. Leikatut puolijohdekiekot siirretään ensimmäiseen valmistusvaiheeseen, jossa suoritetaan epitaksiaa-15 linen kalvojen kasvatus puolijohdekiekkojen pintaan. Tässä keksinnössä käytetään (all)~SSMBE-menetelmää. Kasvatusvaiheessa puoli-johdekiekon pintaan muodostetaan tarvittava määrä kerroksia. Se, kuinka monta kerrosta kasvatetaan, riippuu mm. siitä, minkä tyyppistä komponenttia valmistetaan. Kerroksia voi olla kymmeniä tai jopa sa-20 toja. Osa näistä kerroksista voidaan muodostaa ns. kvanttikaivokerrok-siksi (kvanttikaivoiksi). Tällaisen kvanttikaivokerroksen molemmille puolille muodostetaan vielä kvanttivallikerros (potentiaalivalli). Kun tar-
I I
:.v vittavat kerrokset on kasvatettu puolijohdekiekon pintaan, siirretään fv puolijohdekiekko toiseen vaiheeseen, jossa muodostetaan varsinainen tV-· 25 komponenttirakenne. Sinänsä tunnettua on, että yhdelle puolijohdekie-kolle muodostetaan useita komponentteja. Tässä toisessa vaiheessa .III puolijohdekiekon pintaan erilaisten maskien avulla lisätään eri puoli- ,· ·. johteita ja syövytetään osa kerroksista pois halutun sähköisen kytken- ’ * nän aikaansaamiseksi.
30
Selostetaan seuraavaksi keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaista puolijohdevalolähdettä 1 (kuva 6) ja menetelmää sen valmistamiseksi.
*\v Substraatin 2 päälle muodostetaan ensimmäinen DBR-puolijohdepeili- L" pino 16, joka käsittää useita puolijohdekerroksia 3, 4, 5, 6, edullisesti n- ,‘i'’ 35 tyyppisiksi seostettuja puolijohdekerroksia. Nämä kerrokset muodos tetaan all-SSMBE-menetelmää käyttäen. Näille kerroksille 3-6 seos- suhteet ja kerroksissa käytettävä puolijohdemateriaali valitaan siten, • · * * » 9 * * 4 * 117955 6 että muodostuu kuvassa 2b esitetty energiavallirakenne. Kerrosten 3— 6 energiavalli kasvaa siirryttäessä substraatista ylöspäin, kunnes saavutetaan suurin energiavallikerros 6. Tämän jälkeen seuraa yksi tai useampi pienin energiavallikerros 21. Seuraava DBR-peili koostuu jäl-5 leen asteittaisesti kasvavista energiavallikerroksista 3, 4, 5 ja 6. Tällainen joukko eri energiavallin omaavia kerroksia 3—6 muodostaa DBR-puolijohdepeilirakenteen.
Kun tarvittava määrä DBR-puolijohdepeilirakenteita on muodostettu 10 substraatin 2 päälle, aloitetaan aktiivialueen 17 muodostus. Aktiivialue 17 voi koostua esim. yhdestä tai useammasta kvanttikaivokerroksesta 18 ja potentiaalivallikerroksista 19. Tämän aktiivialueen 17 yläpuolelle muodostetaan vastaavantyyppinen toinen DBR-puolijohdepeilipino 20, joka koostuu joukosta DBR-peilirakenteita. Tämän toisen DBR-puoli- 15 johdepeilipinon 20 muodostuksessa on käytetty p-tyyppisesti seostettuja puolijohdekerroksia 7, 8, 9, 10. Tällöin muodostuu kuvan 6 kaltainen puolijohdevalolähde 1. Kuvassa 6 paksuilla viivoilla on havainnollistettu ensimmäisen puolijohdepeilipinon 16 ja aktiivialueen 17 sekä aktiivialueen 17 ja toisen puolijohdepeilipinon 20 välistä rajapintaa.
20
Keksinnön mukaisessa puolijohdevalolähteessä käytetään epäsymmetristä energiavallirakennetta, mikä aikaansaa sen, että saavutetaan erittäin hyvät valon emittoitumisominaisuudet ja kerrosten kokonais- • 1 2 ’··' määrää voidaan vähentää verrattuna tunnetun tekniikan mukaisiin puo- i 25 lijohdevalolähteisiin. DBR-peilirakenteissa käytettävien pienempien • t \v energiavallikerrosten paksuudet valitaan siten, että näiden kerrosten yhteispaksuus mukaan lukien suuren energiavallikerroksen paksuus on ····: huomattavasti pienempi kuin emittoituvan valon aallonpituus, edullisesti :3: n. neljäsosa emittoituvan valon aallonpituudesta (λο/4). Vastaavasti 30 DBR-peilirakenteiden välissä oleva yhden tai useamman pienimmän energiavallikerroksen 21 paksuus on edullisesti n. λο/4.
, Enemmistövarauksenkuljettajien virran tasoittamiseksi energiavalliraja- *;./ pintojen yli valitaan seostusprofiilii DBR-peilirakenteissa siten, että mitä :··/ 35 suurempi energiavalli saman tyyppisesti seostettujen puolijohdekerros- :T ten 3—6; 7—10 väliin muodostuvassa heteroliitosrajapinnassa on, sitä pienempi on seostustaso (n+, p+). Tällöin DBR-peilirakenteiden hete- 2 • 9 3 • · 1 * » 117955 7 roliitosrajapinnoissa sidokset ovat kuvien 3a ja 3c kaltaisia, jolloin voidaan välttyä kuvien 3b ja 3d kaltaisilta sidoksilta. Kuvissa + ja - ilmaisevat avaruusvarausta heteroliitoksessa diffuusion jälkeen ja E ilmaisee liitokseen muodostuvaa sähkökenttää, joka balansoi varauksen-5 kuljettajien diffuusion. Merkintä ΔΕ kuvaa heteroliitoksen eri puolilla olevien energiavallikerrosten sähkökenttien voimakkuuksien eroa kauempana heteroliitosrajapinnasta.
Energiavallikerrosten ja niiden välisten heteroliitosrajapintojen seostus-10 profiilien muodostaminen toteutetaan edullisesti seuraavasti. Heteroliitoksen eri puolilla olevien energiavallikerrosten sähkökenttien voimakkuuksia voidaan pienentää siten, että seostustaso on sitä suurempi, mitä suurempi on energiavalli. Kun tämä yhdistetään edellä mainittuun sääntöön, jossa seostustaso on suurempi sillä puolella heteroliitosta, 15 jossa energiavalli on pienempi, saadaan optimaalinen seostusprofiili.
Kuvassa 2a on esitetty keksinnön erään toisen edullisen suoritusmuodon mukaisen puolijohdevalolähteen energiavallirakennetta. Erona tässä on kuvan 2b rakenteeseen lähinnä se, että kukin DBR-puolijoh-20 depeili käsittää yhden pienemmän energiavallikerroksen 3 ja yhden suuren energiavallikerroksen 6.
KoSihityyppistä onkaloa käytettäessä puolijohdevalolähdekomponentin \v 1 alempi DBR-peilirakenne käsittää N+1/2 jaksoa pienen refraktiivi-in- • · • 25 deksin takaamiseksi onkalossa sekä substraatissa (jos substraatilla on :V: korkea refraktiivi-indeksi). Tällöin substraatin päälle muodostetaan en- t“’1: simmäisenä suuren energiavallin ja matalan refraktiivisen indeksin omaava kerros.
• · • « > 30 Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisessa puolijohdevaloläh- teessä substraatin 2 päälle kasvatettujen puolijohdekerrosten ja substraatin 2 välisen rajapinnan sähköiseksi optimoimiseksi on substraatin 2 päälle muodostettu ensimmäiseksi sellainen DBR-puolijohdepeilira-kenne, jossa energiavalli on pienin. Tämän DBR-puolijohdepeiliraken- * · · 35 teen paksuus on sopivimmin puolet emittoituvan valon aallonpituudesta · .·:1 (λο/2) vaihesovituksen aikaansaamiseksi. Tämän DBR-puolijohdepeili- • · • · • · · • · *·· • · • · 1 · * · 1 • · · • · 1 s 117955 8 rakenteen päälle on muodostettu N jaksoa DBR-puolijohdepeiliraken-teita.
Tarvittaessa voidaan n- ja p-kerrosten väliseen rajapintaan muodostaa 5 vielä yksi tai useampia suuren energiavallin omaavia ohuita väliontelo-kerroksia (thin high -bandgap intra-gavity barriers, kuva 4a). Nämä ohuet kerrokset 11, 12 sijoitetaan lähelle ontelokerroksia (kvanttikaivo-ja) 13, 14, 15. Ohuet kerrokset 11, 12 sijoitetaan minimiamplitudikohtiin (node) silloin, kun kvanttikaivorakenteena 13, 14, 15 käytetään kosi-10 ni U-kaviteettia. Tämä tarkoittaa sitä, että kvanttikaivorakenteen paksuus on 1λ ja ensimmäinen ohut kerros 11 sijoitetaan ontelossa kohtaan %X ja toinen ohut kerros 12 sijoitetaan ontelossa kohtaan 3AX.
Nämä kerrokset 11, 12 ovat niin ohuita, että kvanttimekaanisen tunne-loitumisen johdosta varauksenkuljettajat läpäisevät ne siirtyessään 15 DBR-peilirakenteesta kohti kvanttikaivorakennetta. Ohuet kerrokset 11, 12 estävät kuitenkin varauksenkuljettajien vuotamisen takaisinpäin, jolloin varauksenkuljettajien pysyvyys kvanttikaivossa paranee verrattuna rakenteeseen, jossa näitä ohuita kerroksia 11, 12 ei käytetä. Ainakin yksi kvanttikaivo on sijoitettu maksimiamplitudikohtaan (anti-20 node), jossa aallon amplitudi on maksimissa. Kosini U-kaviteetilla tämä on kohdassa VzX. Kuvassa 4b on vielä havainnollistettu tätä 1λ-kaviteettia sekä minimi- ja maksimiamplitudikohtia. Tällöin nämä ohuet väliontelokerrokset 11,12 vähentävät varauksen kuljettajien vuotamista :.v kvanttikaivoalueen ulkopuolelle. Väliontelokerrokset 11, 12 eivät kui- #* : *· 25 tenkaan vaikuta ontelon optisiin ominaisuuksiin, koska ne sijaitsevat '•V* kohdissa, joissa aallon amplitudi on nolla.
«t* • * • * »*· ····: Toisen DBR-puolijohdepeillpinon 20 DBR-peilin rajallinen p-seostettu- ··-·; jen energiavallikerrosten lukumäärä sekä seostustaso aiheuttavat sen, 30 että virran jakautuminen ei ole tasaista sillä alueella, josta valoa emittoituu. Seostustasoa rajoittaa mm. se, että AIGaAs-kerroksien p-seos-taminen on vaikeaa, sekä se, että vapaiden varauksenkuljettajien absorboituminen tulisi minimoida. Tätä tilannetta voidaan jonkin verran • · · *·’· parantaa muodostamalla päällimmäisen DBR-puolijohdepeilin päälle 35 virtaa levittävä kerros ja suunnittelemalla elektrodikerros sellaiseksi, « · .·:* että se varjostaa mahdollisimman vähän ja tasoittaa virran jakautu- .···. mistä päällimmäisessä DBR-puolijohdepeilissä.
* * •»· * « • * * i I ( * » * * *· · · • · 9 117955
Kuvissa 5a ja 5b on esitetty vielä eräitä edullisia elektrodikerrosraken-teita 22, joita käytetään siinä pinnassa, josta puolijohdevalolähdekom-ponentti 1 emittoi valoa. Tämä elektrodikerros sijoitetaan sopivimmin p-5 tyypin puolijohdekerrosten päälle. Tämä elektrodikerroksen rakenne on optimoitu siten, että se takaa mahdollisimman hyvän sähkön johtavuuden puolijohdekomponenttiin ja toisaalta absorboi mahdollisimman vähän puolijohdekomponentin emittoimaa valoa.
10 On selvää, että nyt esillä olevaa keksintöä ei ole rajoitettu ainoastaan edellä esitettyihin suoritusmuotoihin, vaan sitä voidaan muunnella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.
• · • · 1 • » · • « • 1 • · * 1 1 • · • » • · • 1 t « * · · 1 1 · • 1 * · • · ♦ • · • · · • 1 • · · *·1 • · • · · • · · *·· • 1 • ·· t .
· · * 1 • » 1 « Il * 1
Claims (9)
117955
1. Pintaemittoiva puolijohdevalolähde (1), joka käsittää substraatin (2), substraatin (2) päälle kasvatetun ainakin ensimmäisen (16) ja toisen 5 puolijohdepeilipinon (20), joissa kukin puolijohdepeili käsittää suuren energiavallikerroksen (21) sekä ainakin yhden pienemmän energiaval-likerroksen (3, 4, 5, 6; 7, 8, 9, 10), ja ainakin yhdessä puolijohdepeilis-sä pienemmät energiavallikerrokset (3, 4, 5, 6; 7,8,9,10) on muodostettu vain yhdelle puolelle suurta energiavallikerrosta (21), tunnet-10 tu siitä, että pienemmät energiavallikerrokset (3, 4, 5, 6; 7, 8, 9, 10) on muodostettu enemmistövarauksenkuljettajien kulkusuunnassa ennen suurta energiavallikerrosta (21).
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen puolijohdevalolähde (1), tunnettu 15 siitä, että ensimmäisen ja toisen puolijohdepinon (16, 20) väliin on muodostettu aktiivialue (17).
3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen puolijohdevalolähde (1), tunnettu siitä, että aktiivialueeseen (17) on muodostettu ainakin yksi kvanttikai- 20 vokerros (18).
4. Jonkin patenttivaatimuksen 1—3 mukainen puolijohdevalolähde (1), . tunnettu siitä, että aktiivialueeseen (17) on muodostettu ainakin yksi suuren energiavallin omaava ohut väliontelokerros (11, 12). :· *·’ 25 • * :*v 5. Jonkin patenttivaatimuksen 1—4 mukainen puolijohdevalolähde (1), tunnettu siitä, että puolijohdepeilin paksuus on neljäsosa emittoituvan ““· valon aallonpituudesta (λο/4). ··· • · ... • · ··»
6. Jonkin patenttivaatimuksen 1—5 mukainen puolijohdevalolähde (1), ; ;*: tunnettu siitä, että substraatin (2) päälle on muodostettu ensimmäi- • · Λ .···. seksi DBR-puolijohdepeili, jossa energiavalli on pienin, että ensimmäi- *·’. sen DBR-puolijohdepeilin paksuus on sopivimmin puolet puolijohdeva- ** lolähteestä emittoituvan valon aallonpituudesta (λο/4), ja että DBR-puo- 35 lijohdepeilin päälle on muodostettu N jaksoa DBR-puolijohdepeilejä. ·····-* · • * • ♦ ♦ » · 117955
7. Jonkin patenttivaatimuksen 1—6 mukainen puolijohdevalolähde (1), tunnettu siitä, että se on joko punaisella aallonpituudella 620—690 nm tai aallonpituudella 800—1600 nm toimiva resonanssikaviteetti-LED tai vertikaalisesti pintaemittoiva laser. 5
8. Menetelmä pintaemittoivan puolijohdevalolähteen (1) valmistamiseksi, jossa menetelmässä substraatin (2) päälle kasvatetaan ainakin ensimmäinen (16) ja toinen puolijohdepeilipino (20), joissa kuhunkin puolijohdepeiliin muodostetaan suuri energiavallikerroksen sekä aina- 10 kin yksi pienempi energiavallikerros (3, 4, 5, 6; 7, 8, 9, 10), ja ainakin yhteen puolijohdepeiliin pienemmät energiavallikerrokset muodostetaan vain yhdelle puolelle suurta energiavailikerrosta, tunnettu siitä, että pienemmät energiavallikerrokset (3, 4, 5, 6; 7,8,9,10) muodostetaan enemmistövarauksenkuljettajien kulkusuunnassa ennen suurta 15 energiavailikerrosta (21).
9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kasvatuksessa käytetään (all)-SSMBE-menetelmää. • · ♦ · · • ♦ · • · • · • « • ·· • · • · · • · ♦ • · • · · ♦ ♦ • ψ • · · ... • · ♦ · · * ♦ 1 * » ··· • · ♦ • ♦ · • · · • · • · • « · • · • « ····· • · · ···.-• ·♦ • · 117955
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20010878A FI117955B (fi) | 2001-04-27 | 2001-04-27 | Suuren hyötysuhteen omaava puolijohdevalolähde ja menetelmä sen valmistamiseksi |
| PCT/FI2002/000366 WO2002089275A1 (en) | 2001-04-27 | 2002-04-29 | A semiconductor light source with a high efficiency and a method for its manufacture |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20010878 | 2001-04-27 | ||
| FI20010878A FI117955B (fi) | 2001-04-27 | 2001-04-27 | Suuren hyötysuhteen omaava puolijohdevalolähde ja menetelmä sen valmistamiseksi |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FI20010878A0 FI20010878A0 (fi) | 2001-04-27 |
| FI20010878A FI20010878A (fi) | 2002-10-28 |
| FI117955B true FI117955B (fi) | 2007-04-30 |
Family
ID=8561072
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FI20010878A FI117955B (fi) | 2001-04-27 | 2001-04-27 | Suuren hyötysuhteen omaava puolijohdevalolähde ja menetelmä sen valmistamiseksi |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FI (1) | FI117955B (fi) |
| WO (1) | WO2002089275A1 (fi) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103620296B (zh) * | 2011-06-29 | 2016-10-12 | 马田专业公司 | 混色照明设备 |
| WO2024043316A1 (ja) * | 2022-08-25 | 2024-02-29 | 国立大学法人京都大学 | ２次元フォトニック結晶レーザ |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2646799B2 (ja) * | 1989-12-21 | 1997-08-27 | 日本電気株式会社 | 半導体多層膜 |
| US5530715A (en) * | 1994-11-29 | 1996-06-25 | Motorola, Inc. | Vertical cavity surface emitting laser having continuous grading |
-
2001
- 2001-04-27 FI FI20010878A patent/FI117955B/fi not_active IP Right Cessation
-
2002
- 2002-04-29 WO PCT/FI2002/000366 patent/WO2002089275A1/en not_active Application Discontinuation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2002089275A1 (en) | 2002-11-07 |
| FI20010878A (fi) | 2002-10-28 |
| FI20010878A0 (fi) | 2001-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10622512B2 (en) | Light emitting diode with reflective part for UVA and blue wavelengths | |
| US6855959B2 (en) | Nitride based semiconductor photo-luminescent device | |
| US7126160B2 (en) | II-VI/III-V layered construction on InP substrate | |
| EP2618388B1 (en) | Light-emitting diode chip | |
| JPH10321952A (ja) | 表面放射半導体レーザ | |
| KR101550117B1 (ko) | 광전 소자 및 그 제조 방법 | |
| US6097041A (en) | Light-emitting diode with anti-reflector | |
| US10020421B2 (en) | Optoelectronic component | |
| CN102882129A (zh) | 改变硅波导宽度制备多波长硅基混合激光器阵列的方法 | |
| JP2010157735A (ja) | 半導体発光素子 | |
| US8526480B2 (en) | Semiconductor laser device | |
| JPH04225588A (ja) | 半導体レーザ構造体 | |
| CN114122913B (zh) | 一种高亮度高功率半导体发光器件及其制备方法 | |
| KR102358403B1 (ko) | 발광 영역의 적어도 하나의 장벽층 내에 위치한 적어도 하나의 더 넓은 밴드갭 중간층을 포함하는 발광 다이오드 | |
| WO2007021549A2 (en) | Ligh emitting diodes with quantum dots | |
| FI117955B (fi) | Suuren hyötysuhteen omaava puolijohdevalolähde ja menetelmä sen valmistamiseksi | |
| US20070158662A1 (en) | Two-dimensional photonic crystal LED | |
| JPH0629612A (ja) | 表面放出型半導体レーザの製造方法と、その方法で得られるレーザ | |
| JP2008103498A (ja) | 発光素子 | |
| US20230006426A1 (en) | Group iii-n light emitter electrically injected by hot carriers from auger recombination | |
| US20040013146A1 (en) | Laser diode with a low absorption diode junction | |
| DE112021001893T5 (de) | Lichtemissionselement, lichtemissionselementeinheit, elektronische vorrichtung, lichtemissionsvorrichtung, erfassungsvorrichtung und kommunikationsvorrichtung | |
| JP7413599B1 (ja) | Ｉｉｉ－ｖ族化合物半導体発光素子及びｉｉｉ－ｖ族化合物半導体発光素子の製造方法 | |
| WO2021078657A1 (en) | Fabricating a semiconductor structure with multiple quantum wells | |
| CN115810689A (zh) | 一种紫外led和紫外探测器集成器件及其制作方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG | Patent granted |
Ref document number: 117955 Country of ref document: FI |
|
| MA | Patent expired |