SE501635C2 - Förfarande och anordning för utsändande av ljus med integrerad excitationskälla - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 35 5_Û1 635 z av tvä tjockare skikt, s k barriärskikt, halvledarmaterial med ett större bandgap än det aktiva skiktet. av ett annat Det är tidigare känt att om en DH-struktur placeras i en mikrokavitet kan det emitterade ljuset riktas. En mikrokavitet innefattar tvä speglar och mikrokavitetens resonansväglängd bestäms av avständet mellan speglarna. Detta innebär att när den emitterade väglängden är exakt lika med mikrokavitetens resonansväglängd kommer ljuset i huvudsak att riktas vinkelrät mot halvledarens yta och därmed släppas ut frän halvledaren.

Endast en liten del av ljuset reflekteras i halvledarens yta.

Som speglar i mikrokaviteten kan Braggspeglar användas, vilka bestär av ett stort antal skikt av halvledarmaterial med omväxlande högt och lagt brytningsindex. Mikrokaviteten kan exciteras med yttre strälning (fotoluminescens) eller med ström (elektroluminescens).

Om det ljusemitterande skiktet görs tillräckligt tunt bildas en kvantbrunn och den emitterade väglängden kan paverkas med ett yttre elektriskt fält, s k Stark-effekt.

När kvantbrunnen emitterar ljus med samma väglängd som mikrokavitetens resonansväglängd riktas ljuset och radiansen ökar. När kvantbrunnen emitterar ljus vars väglängd avviker frän mikrokavitetens resonansväglängd minskar radiansen. Pä sä sätt är det möjligt att modulera radiansen genom att variera det elektriska fältet över mikrokaviteten. Det elektriska fältet kan moduleras med mycket högre frekvens än vad laddningsbärartätheten i halvledaren kan moduleras.

Om kvantbrunnen exciteras genom att ström injiceras via tvä elektroder pä var sida om mikrokaviteten kan det elektriska fältet över kvantbrunnen inte varieras oberoende av strömmen, och radiansen kan därmed inte moduleras.

I EP-patentansökan 473 983 A2 har detta problem lösts genom att, förutom de tva elektroderna pä var sida om mikrokaviteten, anordnas en gemensam elektrod pä det skikt som innehaller 10 15 20 25 30 35 s 501 635 kvantbrunnen. Detta innebär att kvantbrunnen exciteras av den ström som flyter mellan den första elektroden och den gemensamma elektroden. Det elektriska fältet över kvantbrunnen varieras med den gemensamma elektroden och den tredje elektroden. Radiansen kan därmed moduleras.

Det finns flera nackdelar med detta sätt att lösa problemet.

Strömmen måste flyta genom en Braggspegel, vilken har en mycket hög resistans på grund av de många övergångarna mellan material med olika bandgap. Det år också svårigheter med att anordna den gemensamma elektroden på det skikt som utgör kvantbrunnen eftersom det är mycket tunt (lOOÅ).

För att erhålla snabbast möjliga modulation måste omslagstiden göras så kort som möjligt. Omslagstiden är proportionell mot kapacitansen i mikrokaviteten som i sin tur är proportionell mot kvantbrunnens area. Med ovanstående lösning bestämms kvantbrunnens area av storleken på kontakten till den gemensamma elektroden. Detta sätter en undre gräns för omslagstiden.

Ovanstående nackdelar kan elimineras genom att kvantbrunnen istället exciteras med ljus (fotoluminicens). Vid användning av en yttre strålningskålla uppstår istället problem med dålig verkningsgraden. Dels är det svårt att få ut strålningen effektivt ur strålningskällan och dels år det svårt att få in strålning i mikrokaviteten. På grund av halvledarmaterialens höga brytningsindex blir verkningsgraden från en yttre ljuskälla endast ca 2%.

Ett ändamål med uppfinningen år att anvisa ett förfarande och en anordning för utsåndande av ljus som på ett effektivt sätt använder ljus för att excitera en kvantbrunn vilket medför att radiansen kan moduleras med en mycket hög frekvens.

REDoGöRsLsE FÖR UPPFINNINGEN, FÖRDELAR Uppfinningen innebär ett förfarande för att sända ut ljus där ljusets radians kan styras genom att ett elektriskt fält över 10 l5 20 25 30 35 5,01 635 4 ett ljusutsändande organ varieras. Det ljusutsändande organet exciteras av ljus utsänt frän en ljusemitterande PN-diod vilken är anordnad i samma halvledarkropp som det ljusutsändande organet.

En anordning för utsändande av ljus enligt uppfinningen innefattar en ljusemitterande PN-diod och ett ljusutsändande organ vars radians kan styras med ett elektriskt fält. Det ljusutsändande organet och PN-dioden är anordnade i samma halvledarkropp pä sä sätt att ljus frän PN-dioden exciterar det ljusutsändande organet sä att det sänder ut ljus.

Det ljusutsändande organet innefattar - en kvantbrunn som kan sända ut ljus med en optisk väglängd, vilken vid fränvaro av yttre elektriskt fält har en grundväglängd, - en mikrokavitet innefattande tvä reflektorer som omger kvantbrunnen och där mikrokaviteten har en resonansváglängd som nära överensstämmer med kvantbrunnens grundväglängd, - medel för att pälägga ett elektriskt fält över mikrokaviteten för att förändra den optiska väglängden och därigenom styra mikrokavitetens radians.

PN-dioden har ätminstone en elektrod som är skild frän det ljusutsändande organets elektroder. PN-dioden och det ljusutsändande organet är elektriskt separerade frän varandra pä sä sätt att det elektriska fältet över mikrokaviteten är helt oberoende av strömmen genom PN-dioden.

När strälningskällan och mikrokaviteten utförs i samma halvledarkropp erhälls en hög verkningsgrad för den exciterande ljuskällan. Eftersom ljuset aldrig behöver lämna halvledaren har förlusterna pä grund av reflektion i halvledarytorna eliminerats.

Eftersom ingen ström ska ga genom reflektorerna är det tillätet att de är däliga ledare. 10 15 20 25 30 35 5 501 655 Kvantbrunnens area kan vara liten och därför blir mikrokavitetens kapacitans ocksa liten. Pa sà sätt kan omslagstiden minskas och modulationsfrekvensen blir stor.

FIGURBESKRIVNING Figur l visar en schematisk bild av en första utföringsform av uppfinningen.

Figur 2 visar en schematisk bild av ett snitt A-A genom den första utföringsformen av uppfinningen.

Figur 3 visar ett energibanddiagram för den första utföringsformen av uppfinningen.

Figur 4 visar en schematisk bild av en andra utföringsform av uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER I figur l och figur 2 visas en första utföringsform av uppfinningen. Ljus sänds ut genom ett fönster 1, vilket omges av en cirkulär elektrod 2 som hör till mikrokaviteten, och en elektrod 3 som hör till PN-dioden.

Uppfinningen utförs pà ett halvledarsubstrat 4, vilket i denna utföringsform bestár av N-dopad GaAs. Pa halvledarsubstratet utformas en kvantbrunn som bestàr av ett ljusemitterande aktivt skikt 5 av odopad GaAs och som är beläget mellan tva barriärskikt 6,7. Barriárskikten bestá av odopad eller svagt N- dopad AlxGaAs med en làg halt av aluminium ( x = 0.2).

En mikrokavitet anordnas genom att en övre braggspegel 8 och en undre braggspegel 9 placeras pà var sida om barriàrskikten och kvantbrunnen. Den övre braggspegeln bestár av 15 skikt som omväxlande utgörs av p-ledande AlAS och p-ledande AlxGaAs med en mycket lag aluminium halt (x = 0.05). Den undre braggspegeln bestár av 30 skikt som omväxlande utgörs av n-ledande AlAS och 10 15 20 25 30 35 5.01 635 6 n-ledande AlXGaAs ( x = 0.05). Det första skiktet, dvs det skikt utgörs av AlAs i bäda braggspeglarna. Närmast halvledarkroppens yta och direkt som gränsar mot barriärskikten, gränsande mot den övre braggspegeln 8 anordnas lämpligen ett avslutningsskikt 10 av ett optiskt transparent material, t ex p- ledande AlGaAs.

Ett energibanddiagram för den första utföringsformen äterges i figur 3. Kvantbrunnen som bestär av GaAs har ett mindre bandgap än barriärskikten som bestàr av AlGaAs och braggspeglarna som bestär av AlAs och AlGaAs.

Kvantbrunnens grundväglängd bestäms av materialets energibandgap och kvantbrunnens tjocklek. Mikrokavitetens resonansväglängd bestäms av dubbla avständet mellan braggspeglarna och väljs lämpligen ca 1% större än kvantbrunnens grundväglängd. Den sammanlagda tjockleken av de bäda barriärskikten och det aktiva skiktet ska dä vara lika med halva resonansväglängden. I denna utföringsform har det aktiva skiktet en tjocklek av 10 nm, och barriärskikten har en tjocklek pä 112 nm vardera.

Braggspeglarna är utförda av skikt vars tjocklek är en fjärdedel av resonansväglängden, dvs ÄR /4. Avslutningsskiktet 10 har en optisk tjocklek = ÄR /2. Den optiska tjockleken är den verkliga tjockleken multiplicerat med brytningsindex ( OL = L x n ).

I samma halvledarsubstrat har anordnats en ljusemitterande PN- diod vilken har ett ljusemitterande skikt ll. Ovanför PN-dioden har en del av den övre braggspegeln avlägsnats frän halvledarkroppens yta, men minst ett av de skikt som finns närmast barriärskiktet har lämnas kvar. Detta skikt 12 utgör kontaktskikt för PN-diodens elektrod 3. Mikrokaviteten och PN- dioden har en gemensam elektrod 13. PN-dioden drivs kontinuerligt genom att ström päförs genom elektroderna 3 och 13 i PN-diodens framriktning.

Radiansen frän mikrokaviteten kan styras genom att en spänning frän en yttre spänningskälla päläggs mellan mikrokavitetens 10 15 20 25 30 35 v 501 635 elektroder 2 och 13. Radiansen ut frän fönstret l är större när kvantbrunnen emitterar ljus med samma väglängd som mikrokavitetens resonansväglängd, än vad den är när kvantbrunnen emitterar ljus vars väglängd avviker frän resonansväglängden.

Det är alltsä möjligt att variera radiansen genom att spänningen över mikrokaviteten varieras.

Ett omräde 14 mellan mikrokaviteten och PN-dioden har gjorts elektriskt isolerande med protonbombardemang som penetrerat halvledarkroppen ätminstone in i den undre braggspegeln 9.

Omrädet blir dä elektriskt och optiskt isolerande. Efter värmebehandling övergär omradet l4 till att vara optiskt transparent igen, samtidigt som den elektriska isoleringen bihehälls.

I en alternativ utföringsform kan det isolerande omradet sträcka sig genom hela halvledarkroppen. Dä kan elektroden 13 ersättas med tva elektroder, där den ena elektroden ansluter till mikrokaviteten och den andra till PN-dioden.

I en variant pä den första utföringsformen bestär kvantbrunnen av odopad InGaAs som är gittermissanpassad i förhällande till GaAs. En fördel med att använda odopad InGaAs i kvantbrunnen är att den emitterar ljus med en väglängd för vilken halvledarsubstratet GaAs är transparent. Detta bidrar till att ytterligare minska strälningsförlusterna frän PN-dioden.

Barriärskikten (6,7) bestàr av odopad eller svagt N-dopad GaAs.

Braggspeglarna bestär av skikt som omväxlande utgörs av p- ledande AlAS och p-ledande AlxGaAs där aluminiumhalten kan variera frän noll och uppät (x >= 0). Det skiktet som gränsar mot barriärskiktet utgörs av AlAs.

I figur 4 visas en andra utföringsform av uppfinningen. Denna utforingsform skiljer sig frän den första utföringsformen genom att PN-dioden är anordnad under mikrokaviteten och belyser kvantbrunnen underifrän. PN-dioden och kvantbrunnen har inte längre samma aktiva skikt, vilket ger en möjlighet att päverka PN-diodens väglängd genom valet av material i PN-diodens aktiva 10 15 20 25 30 35 501 ess 8 skikt. PN-diodens väglängd mäste dock väljas sä att den tillhör ett omräde där Braggspegeln är optiskt transparent och kortare än kvantbrunnens grundväglängd.

Pä samma sätt som i den första utföringsformen har en kvantbrunn 5 av odopad GaAs anordnats mellan tvä barriärskikt 6,7 av odopad AlAs. En mikrokavitet anordnas genom att en övre braggspegel 8 och en undre braggspegel 9 placeras pä var sida om barriärskikten och kvantbrunnen. Braggspegeln 8 och 9 bestär av skikt som omväxlande utgörs av AlAS och AlGaAs. Det första skiktet i braggspeglarna, dvs det skiktet som är närmast barriärskiktet, bestär av AlGaAs. Närmast halvledarkroppens yta och direkt gränsande mot den övre braggspegeln 8 anordnas lämpligen ett avslutningsskikt 10 av ett optiskt transparent material, t ex p-ledande AlGaAs.

En PN-diod har anordnats sä att mikrokaviteten befinner sig mellan PN-dioden och det fönster l där ljus sänds ut. PN-diodens aktiva skikt ll bestär av AlGaAs och har ett större bandgap än kvantbrunnens aktiva skikt. Detta innebär att ljus frän PN- dioden kan excitera kvantbrunnen. Ljuset frän PN-dioden har en väglängd för vilken den undre braggspegeln 9 är transparent. PN- dioden har tvä barriärskikt 20, 21 av AlGaAs, där halten aluminium ska vara sä hög att barriärskiktet har ett bandgap som är större än det aktiva skiktet. Bäde det aktiva skiktet och det undre barriärskiktet 21 är p-ledande. Skiktet 20 mellan mikrokaviteten och PN-dioden bestär av n-ledande AlGaAs vars halt av AlAs är större än 35% och utgör en gemensam jord.

Mikrokaviteten har en elektrod 2, och PN-dioden har en elektrod 3. Mikrokaviteten och PN-dioden har en gemensam elektrod l3. När elektroderna 3 och 13 spänningssätts, sä att PN-dioden blir framspänd, emitterar PN-dioden ljus med en väglängd som är tillräckligt kort för att kunna excitera kvantbrunnen. Tack vare halvledarmaterialets höga brytningsindex kommer merparten av ljuset frän PN-dioden att bibehällas i halvledarkroppen. Därmed blir belysningen av kvantbrunnen effektiv. Radiansen frän mikrokaviteten kan styras genom att en spänning frän en yttre

Claims (11)

10 15 20 25 30 35 9 501 635 spänningskälla päläggs mellan mikrokavitetens elektroder 2 och 13. Omrädet 24 har gjorts elektriskt isolerande med protonimplantation. För tjockleken pä skikten i braggspeglarna och barriärskikten i mikrokaviteten gäller detsamma som i den första utföringsformen. Uppfinningen kan naturligtvis även utföras i andra halvledarmaterial än de ovan nämnda. Braggspeglarna kan till exempel vara av dielektriska material, dvs ickeledande material, t ex kiseldioxid eller titanoxid. En av speglarna kan vara av metall. PA'I_' EN T KRAV

1. Ett förfarande för utsändande av ljus frän en halvledarkropp där ljusets radians kan styras genom att ett elektriskt fält över ett ljusutsändande organ varieras k ä n n e t e c k n a t a v, att det ljusutsändande organet exciteras av ljus utsänt frän en ljusemitterande PN-diod i samma halvledarkropp.

2. En anordning för utsändande av ljus innefattande ett ljusutsändande organ anordnat i en halvledarkropp, där det ljusutsändande organets radians kan styras med ett yttre elektriskt fält k ä n n e t e c k n a d a v, att en ljusemitterande PN-diod är anordnad i samma halvledarkropp som det ljusutsändande organet pä sä sätt att ljus frän PN-dioden exciterar det ljusutsändande organet.

3. En anordning för utsändande av ljus enligt patentkrav 2 k ä n n e t e c k n a d a v, att det ljusutsändande organet innefattar - ett ljusemitterande aktivt lager (5), anordnat att sända ut ljus som vid fränvaro av yttre elektriskt fält har en grundväglängd, - reflektorer (8,9) som omger det aktiva lagret och bildar en mikrokavitet med en resonansváglängd som bestäms av avständet mellan reflektorerna, 10 15 20 25 30 35 501 655 10 - medel (2,l3) för att àstadkomma ett variabelt elektriskt fält över det aktiva lagret.

4. En anordning för utsändande av ljus enligt patentkrav 3 k a n n e t e c k n a d lagret (5) a v, att det ljusemitterande aktiva är en kvantbrunn.

5. En anordning för utsàndande av ljus enligt patentkrav 3 k a n n e t e c k n a d a v, att reflektorerna (8,9) utgörs av Braggspeglar.

6. En anordning för utsándande av ljus enligt patentkrav 3 k a n n e t e c k n a d dielektrisk. a v, att minst en av Braggspeglarna är

7. En anordning för utsändande av ljus enligt patentkrav 3 k à n n e t e c k n a d att atminstone en av reflektorerna (8,9) âV, utgörs av en metallspegel.

8. En anordning för utsàndande av ljus enligt patentkrav 3 k à n n e t e c k n a d a v, att mikrokaviteten har en resonansvaglàngd som nära överensstämmer med det aktiva lagrets grundvaglangd.

9. En anordning för utsándande av ljus enligt patentkrav 3 k à n n e t e c k n a d a v, att elektroder anordnats för astadkommande av det variabela elektriska fältet.

10. En anordning för utsàndande av ljus enligt patentkrav 3 k a n n e t e c k n a d a v, att PN-dioden och det ljusutsándande organet är elektriskt separerade frán varandra.

ll. En anordning för utsàndande av ljus enligt patentkrav 3 k ä n n e t e c k n a d a v, att PN-dioden och det ljusutsändande organet har en gemensam elektrod.