SE468410B - Ytlysande lysdiod - Google Patents

Description

2.168 410 Fig lb åskådliggör energigapet Eg för skikten 1-3 som funktion av z, där z är avståndet utefter normalriktningen till utgångsytan 7. Skikten 1 och 3 har de lika stora energigapen Egl resp Egš, vilka är större än energigapet EgA hos det aktiva skiktet 2.

Skiktet 1 kan exempelvis ha tjockleken 2 pm, skiktet 2 tjockleken 2 pm och skiktet 3 tjockleken 10 Fm.

Fig lc visar intensiteten PÅ hos det utsända ljuset som funktion av dess våglängd Ä. Intensitetsmaximum uppträder vid våglängden Lp. Lysdiodens spektrala linjebredd - halvvärdesbredden hos den i fig lc visade intensitetskurvan - är vid en typisk lysdiod av angivet slag relativt liten, i ett typiskt fall cirka 50 nm.

I vissa tillämpningar, t ex vid simultan matning av flera mottagare på skilda våglängder (våglängdsuppdelad multiplex), har den låga linjebredden hos tidigare kända lysdioder visat sig vara en väsentlig nackdel.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning avser en lysdiod av inledningsvis angivet slag.

Uppfinningen avser att på ett enkelt och fördelaktigt sätt uppnå en ökning av den spektrala linjebredden hos en sådan lysdiod.

Vad som kännetecknar en lysdiod enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall i det följande beskrivas i anslutning till bifogade figurer 1-8. Fig la visar ett snitt genom en tidigare känd lysdiod av ovan beskrivet slag. Fig lb visar energigapen för diodens olika skikt. Fig lc visar det från dioden utsända ljusets intensitet som funktion av vågläng- den. Fig 2a visar energigapen hos de dlika skikten i en lysdiod enligt uppfinningen vid vilken ett luminiscensskikt anordnats mellan det aktiva skiktet och utgångsytan hos dioden. Fig 2b visar ljusintensiteten som funktion av våglängden för den i fig 2a visade dioden. Fig 3a visar en _ alternativ utföringsform av en diod enligt uppfinningen, vid vilken två luminiscensskikt anordnats på ömse sidor om det aktiva skiktet. Fig 3b o: 468 Lšíü visar det utsända ljusets intensitet som funktion av våglängden vid den i fig ßa visade dioden. Fig U visar en ytterligare utföringsform av en diod enligt uppfinningen, vid vilken blockeringsskikt anordnats i anslutning till luminiscensskikten. Fig 5 visar en ytterligare utföringsform av upp- finningen, vid vilken ett luminiscensskikt anordnats i anslutning till en lysdiod med s k enkel heterostruktur. Fig 6 visar en ytterligare utförings- form av uppfinningen, vid vilken ett luminiscensskikt anordnats i anslut- ning till en lysdiod med s k homostruktur. Fig 7 visar en lysdiod enligt uppfinningen med tre luminiscensskikt. Fig 8 visar ett snitt genom en lysdiod enligt fig 7.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Fig 2a visar en lysdiod enligt uppfinningen. Dioden är uppbyggd på samma sätt som den i fig 1 visade dioden, dvs den utgörs av en dubbel hetero- struktur med två skikt 1 och 3 med högre energigap anordnade på ömse sidor om ett aktivt skikt 2 med lägre energigap. Mellan skiktet 3 och utgångsytan 7 är enligt uppfinningen ett ytterligare skikt L anordnat, ett s k lumi- niscensskikt. Materialet i detta skikt har ett lägre energigap, EgL, än energigapet EEA i det aktiva skiktet 2. Skiktet L är liksom skiktet 3 N-dopat. När dioden genomflyts av ström utsänds ljus från det aktiva skik- tet 2. Detta ljus absorberas delvis och exciterar laddningsbärare i skiktet L. Dessa laddningsbärare rekombinerar och utsänder därvid ljus, vilket har en våglängd XL som är bestämd av energigapet EgL hos materialet i skiktet L. Våglängden'ÅL hos det från skiktet L utsända ljuset skiljer sig från våglängden AA hos det från skiktet 2 utsända ljuset. Genom lämpligt val av de båda skiktens energigap kan intensitetskurvorna för ljuset från de båda skikten bringas att överlappa, och detta på ett sådant sätt att den totala intensiteten hos det från dioden utsända ljuset varierar med våglängden på det i fig 2b visade sättet. Den streckade linjen i figuren markerar inten- sitetskurvan för ljuset från det aktiva skiktet 2, vilket motsvarar inten- sitetskurvan för en känd lysdiod av det i anslutning till fig 1 beskrivna slaget. Som framgår av fig 2b erhålles vid en lysdiod enligt uppfinningen en väsentligt större spektral linjebredd än vid tidigare kända lysdioder.

Storleken av intensiteten i de båda intensitetstopparna hos kurvan i fig 2b kan påverkas genom val av tjockleken hos skiktet L. Exempelvis har vid en lysdiod av ovan beskrivet slag en tjocklek av l Fm hos skiktet L visat sig 68 410 resultera i att cirka hälften av det från skiktet 2 utsända ljuset absorbe- ras i L och hälften av ljuset transmitteras genom skiktet L, vilket ger den i fig 2b visade kurvan med ungefär samma intensitet hos de båda intensi- tetstopparna.

Vid den i fig Sa visade alternativa utföringsformen av uppfinningen mot- svarar skiktet L1 skiktet L i fig 2a. Dessutom har ett andra P-dopat lumi- ' niscensskikt L2 anordnats till vänster om skiktet 2. Skiktet Ll har ett energigap EgLl som är lägre än energigapet EgA hos det aktiva skiktet 2.

Det andra luminiscensskiktet L2 har ett energigap EgL2 som är lägre än energigapet EgL1 hos skiktet Ll. På samma sätt som ovan beskrivits i anslutning till fig 2 utsänds ljus med ett intensitetsmaximum vid våg- längden ÅA från skiktet 2. Cirka hälften av detta ljus sänds ut åt höger i figuren och orsakar på det i anslutning till fig 2 beskrivna sättet emission av ljus från skiktet L1 med ett intensitetsmaximum vid våglängden ÄL1. Cirka hälften av det från skiktet 2 utsända ljuset sänds ut åt vänster i figuren och exciterar på samma sätt laddningsbärare i skiktet L2.

Vid rekombinationen av dessa laddningsbärare emitteras ljus från skiktet L2 med ett intensitetsmaximum vid våglängden XL2. Genom lämpligt val av energigapen hos skikten 2, L1 och L2 kan intensitetskurvorna hos det från dessa skikt utsända ljuset bringas att överlappa och ge en resulterande intensitetskurva med det i fig 3b visade utseendet. Som framgår av figuren kan på detta sätt en ännu större ökning av den totala spektrala linje- bredden erhållas. Vid en typisk lysdiod av detta slag kan en linjebredd på cirka 120 nm erhållas.

Pâ samma sätt som ovan beskrivits i anslutning till fig 2 kan intensiteten hos det från skikten Ll och L2 utsända ljuset styras genom val av tjock- lekarna hos dessa skikt.

Fig Ä visar en ytterligare utföringsform av en lysdiod enligt uppfinningen.

Vid denna har ett N-dopat blockeringsskikt Bl anordnats mellan skiktet L1 och utgångsytan 7, och ett andra blockeringsskikt B2 anordnats till vänster om skiktet L2. Skiktet B2 är P-dopat. Skikten Bl och B2 är utförda av mate- rial med högre energigap än det aktiva skiktet, exempelvis med approxima- tivt samma energigap som det hos skikten 1 och 3. Blockeringsskikten Bl och B2 gör att laddningsbärare kvarhâlls i luminiscensskikten, varigenom en ökad relativ intensitet erhålles hos det från dessa skikt utsända ljuset. 468 410 De ovan beskrivna utföringsformerna av uppfinningen beskriver denna till- lämpad på en lysdiod med dubbel heterostruktur, dvs med två hetero- övergångar (övergångar mellan material med skilda energigap). Fig 5 visar hur uppfinningen kan tillämpas också vid en lysdiod med enkel hetero- struktur, dvs med en enda heteroövergång. Lysdioden kan då bestå av ett P-dopat skikt 2, som utgör diodens aktiva skikt och har energigapet EgA.

Dioden har vidare ett N-dopat skikt 3 med högre energigap än skiktet 2, och mellan skikten 2 och 3 utbildas diodens PN-övergång. Ett luminiscensskikt enligt uppfinningen är anordnat mellan skiktet 3 och diodens utgångsyta 7.

Luminiscensskiktets funktion blir densamma som ovan har beskrivits, t ex i anslutning till fig 2. Alternativt kan, som beskrivs i anslutning till fig 3, 4, 7, 8, ett eller flera ytterligare luminiscensskikt anordnas, och vidare kan blockeringsskikt enligt fig 4, 7, 8 anordnas på endera eller båda sidorna om den i fig 5 visade strukturen.

Fig 6 visar som ett alternativ hur uppfinningen kan tillämpas vid en lys- diod med s k homostruktur, dvs en diod där skikten på ömse sidor om diodens PN-övergång har approximativt samma energigap. Skiktet 2 i figuren är P-dopat och skiktet 3 N-dopat, och båda skikten har energigapet EgA. Mellan skiktet 3 och diodens utgångsyta 7 är ett luminiscensskikt L anordnat. På samma sätt som ovan nämnts i anslutning till fig 5 kan dioden förses med ytterligare luminiscensskikt liksom med ett eller flera blockeringsskikt.

Fig 7 visar en ytterligare utföringsform av en lysdiod enligt uppfinningen.

Jämfört med den i fig U visade dioden har ett tredje luminiscensskikt L3 och ett tredje blockeringsskikt B3 lagts till mellan skiktet Bl och ut- gångsytan 7. Materialet i skiktet L3 har ett energigap E 3 som är lägre än gL EgA men högre än E och E Ljus kommer att genereras även i lumini- gLl gL2' scensskiktet L3 och med en våglängd som är skild från våglängden hos ljuset från det aktiva skiktet 2 och de båda luminiscensskikten Ll och L2. På detta sätt kan en ytterligare ökning erhållas av diodens spektrala linje- bredd, och det har visat sig att en linjebredd på cirka 150 nm kan uppnås.

Fig 8 visar ett snitt genom en lysdiod enligt fig 7. I figuren visas schematiskt hur det från dioden utsända ljuset är sammansatt av fyra komponenter. En första komponent består av det direkt från det aktiva skiktet 2 utsända ljuset med ett intensitetsmaximum vid våglängden AA. En del av ljuset från skiktet 2 absorberas i skiktet Ll och orsakar emission från detta skikt av ljus med ett intensitetsmaximum vid våglängden ÅLI.

Ytterligare en del av ljuset från skiktet 2 absorberas i skiktet L2

Claims (11)

4 6 8 4 'I 0 och orsakar emission från detta skikt av ljus med ett intensitetsmaximum vid våglängden XLZ. Ytterligare en del av ljuset från det aktiva skiktet 2 absorberas i skiktet L3 och orsakar emission från detta skikt av ljus med ett intensitetsmaximum vid våglängden ÅL3. Till höger om den i fig 8 visade strukturen kan ett ytterligare skikt motsvarande skiktet 4 i fig la anordnas. Som ovan nämnts kan lysdioden utföras i GaAlAs, men givetvis kan andra halvledarmaterial användas, t ex InGaAsP. Ovan har vidare visats hur de till vänster i figurerna om diodens PN-övergång 6 belägna skikten är P-dopade och de till höger om övergången belägna skikten är N-dopade. Givetvis kan dopningstyperna vara de motsatta. Ovan har begreppet "ljus" använts, med vilket begrepp avses elektromagnetisk strålning såväl inom det synliga våglängdsbandet som inom angränsande våglängdsband. Den centralt i skiktet Ä i fig la anordnade gropen kan eventuellt slopas liksom, vilket framgår av fig 8, skiktet 4 som helhet. Givetvis kan en lysdiod enligt uppfinningen innehålla ytterligare halvledarskikt utöver de i ovanstående figurer visade skikten. PATENTKRAV

1. Ytlysande lysdiod med minst en PN-övergång (6) mellan två halvledar- skikt (2, 3), av vilka minst ett (2) är aktivt, vilken diod är anordnad att utsända ljus genom en förutbestämd utgångsyta (7), k ä n n e t e c k - n'a d av att dioden innefattar minst ett ytterligare skikt (L), lumini- scensskikt, vilket är utfört av material med lägre energigap (EgL) än det aktiva skiktet (EgA) och är anordnat mellan det aktiva skiktet (2) och utgångsytan (7).

2. Ytlysande lysdiod enligt patentkravet 1, vilken har en dubbel hetero- struktur med ett första skikt (1) av en första ledningstyp (P), ett andra skikt (2) av nämnda första ledningstyp (P) anordnat i anslutning till det första skiktet och mellan detta och utgångsytan (7) och utgörande det aktiva skiktet, ett tredje skikt (3) av en andra ledningstyp (N) anordnat i anslutning till det andra skiktet (2) och mellan detta och utgångsytan (7), varvid nämnda första och tredje skikt är utförda av material med högre energigap (Egl, Eg3) än materialet i det andra skiktet (E ,- k ä n n e - 5A) _ t e c k n a d av att ett luminiscensskikt med lägre energigap (EgL) än det andra skiktet (EgA) är anordnat mellan nämnda tredje skikt (3) och utgångs- ytan (7). \l 448 41" U

3. Ytlysande lysdiod enligt patentkravet 1, vilken har en enkel hetero- struktur med ett första skikt (2) av en första ledningstyp (P), vilket utgör det aktiva skiktet, ett andra skikt (3) av motsatt ledningstyp (N) anordnat i anslutning till det första skiktet och mellan detta och ut- gångsytan (7), varvid nämnda andra skikt (3) är utfört av material med högre energigap (Egg) än materialet i det första skiktet (2: EgA), k ä n n e t e c k n a d av att ett luminiscensskikt (L) med lägre energi- gap (EgL) än det första skiktet (EgA) är anordnat mellan nämnda andra skikt (3) och utgångsytan (7). Ä.

4. Ytlysande lysdiod enligt patentkravet 1, vilken har en monostruktur med ett första skikt (2) av en första ledningstyp (P) samt ett andra skikt (3) av motsatt ledningstyp (N) anordnat i anslutning till det första skiktet och mellan detta och utgàngsytan (7), varvid åtminstone det ena av nämnda skikt (2) utgör ett aktivt skikt, och varvid materialen i de båda- skikten har i huvudsak lika stora energigap (EgA), k ä n n e t e c k - n a d av att ett luminiscensskikt med lägre energigap (EgL) än nämnda första och andra skikt är anordnat mellan nämnda andra skikt (3) och utgângsytan (7).

5. Ytlysande lysdiod enligt något av patentkraven 1-4, k ä n n e - t e c k n a d av att den har två luminiscensskikt (Ll, L2) anordnade på ömse sidor om det aktiva skiktet (2), nämligen ett första luminiscensskikt (Ll) anordnat mellan det aktiva skiktet (2) och utgångsytan (7) och ett andra luminiscensskikt (L2) på motsatt sida om det aktiva skiktet, varvid materialen i de båda luminiscensskikten har lägre energigap (E gL1' EgL2) än materialet i det aktiva skiktet (EgA).

6. Ytlysande lysdiod enligt patentkravet 5, k ä n n e't e c k n a d av att materialen i de båda luminiscensskikten har olika stora energigap (EgL1' EgL2)'

7. Ytlysande lysdiod enligt patentkravet 6, k ä n n ett e c k n a d av att det andra luminiscensskiktet (L2) har lägre energigap (EgL2) än det första luminiscensskiktet (EgLl). :Û 4 6 Q 4 4 Ü Lrof-fx

8. Ytlysande lysdiod enligt något av patentkraven 5-7, k ä n n e - t e c k n a d av att den har ett tredje luminiscensskikt (LS) anordnat mellan det första luminiscensskiktet (Ll) och utgångsytan (7), varvid mate- rialet i det tredje luminiscensskiktet har lägre energigap ( ) än E sL3 materialet i det aktiva skiktet (2; EgA).

9. Ytlysande lysdiod enligt patentkrav ö, k ä n n e t e c k n a d av att materialet i det tredje luminiscensskiktet (L3) har högre energigap (EgL3) än materialet i det första (L1) och andra (L2) luminiscensskiktet.

10. Ytlysande lysdiod enligt något av patentkraven 1-9, k ä n n e - t e c k n a d av att den innefattar ett blockeringsskikt (Bl) med ett material med högre energigap (EgB) än materialet i ett luminiscensskikt (EgL1) och anordnat i anslutning till luminiscensskiktet (L1) och på motsatt sida om detta som det aktiva skiktet (2).

11. Ytlysande lysdiod enligt patentkravet 10, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar ett första blockeringsskikt (Bl) med högre energigap (EgB) än det första luminiscensskiktet (EgL1) och anordnat i anslutning till detta mellan detta och utgångsytan (7), samt ett andra blockeringa- skikt (B2) med högre energigap (EgB) än det andra luminiscensskiktet (EgL2) och anordnat i anslutning till detta och på motsatt sida om detta som det aktiva skiktet (2).