WO2000060675A1 - Optische halbleiterdiode - Google Patents

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WO2000060675A1
WO2000060675A1 PCT/DE2000/000665 DE0000665W WO0060675A1 WO 2000060675 A1 WO2000060675 A1 WO 2000060675A1 DE 0000665 W DE0000665 W DE 0000665W WO 0060675 A1 WO0060675 A1 WO 0060675A1
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layer
substrate
surface section
radiation
diode
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PCT/DE2000/000665
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Inventor
Jochen Heinen
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
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    • 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
    • H01L33/20—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 particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H01L33/22—Roughened surfaces, e.g. at the interface between epitaxial layers

Definitions

  • the invention relates to an optical semiconductor diode having a layer stack of epitaxial layers which have grown on a surface section of a substrate and which contain an active layer for generating optical radiation, part of the radiation generated by one of the surface sections of the
  • the substrate consists of a material which absorbs the radiation generated.
  • Diodes of the type mentioned are generally known, for example in the form of light-emitting or infrared diodes.
  • the reflector acts and partially transmits this other part to the substrate and partly reflects in the direction of the surface of the layer stack facing away from the surface section of the substrate.
  • the power component of the other part of the radiation reflected by the layer sequence reinforces that emitted by the diode emitted part of the radiation, thus improving its external efficiency.
  • the proposed layer sequence acting as a Bragg reflector reflects radiation that strikes this sequence at an angle of 0 ° to 25 ° to the normal of a layer plane of the layer sequence.
  • Layer with the relatively low refractive index is arranged between the active layer and the layer with the relatively high refractive index.
  • the refractive interface partially transmits a power component of the other part of the radiation radiated in the direction of the surface section of the substrate to the surface section of the substrate and reflects a power component of this other part using the total reflection in the direction of the surface of the layer stack facing away from the surface section of the substrate.
  • the power component of the other part of the radiation reflected at this refractive interface also amplifies the part of the radiation emitted by the diode and thus improves its external efficiency.
  • the refractive index jump at the refractive interface should be as large as possible in order to be able to use the total reflection at large angles of incidence of the radiation of more than 70 ° to the normal of the intermediate layer.
  • a big refractive dexsprung is obtained primarily by making the relatively low refractive index as small as possible.
  • the invention has for its object to show how an even higher external efficiency can be achieved with a diode of the type mentioned.
  • Intermediate layer is arranged, which has a reflective effect for the other part of the radiation generated which radiates in the direction of the surface section of the substrate.
  • This solution has the advantage that from the part of the radiation emitted in the direction of the surface section of the substrate, as will be explained in more detail later, a greater proportion of the power than before reflects into the absorbing substrate and to reinforce that part of the radiation emitted by the diode Radiation can be used so that an overall higher external efficiency of the diode can be achieved.
  • the intermediate layer must not cover the surface section of the substrate completely, but only partially, and must leave part of this section open for the epitaxial growth of the layer stack on the substrate to begin. On the other hand, the intermediate layer should be completely covered by this stack after the layer stack has grown. Both have the consequence that the intermediate layer must be applied to the surface section before the layer stack is grown epitaxially. Since the applied intermediate layer has a certain thickness, it defines a step on the surface section which can cause growth disorders during the subsequent epitaxial growth of the layer stack.
  • growth disorders can include also occur if e.g. the intermediate layer consists of a material in which there are no single-crystalline conditions or a crystal lattice of the material of the intermediate layer and a crystal lattice of a material of the layer stack do not match.
  • ordered single-crystalline conditions are required such that single-crystal conditions are present at the surface of the previously grown part of the layer stack on which the active layer is grown, and at the latest before the growth of the active layer there are no more disturbed crystal structures.
  • a thickness and a dimension of the intermediate layer parallel to the surface section of the substrate are dimensioned so small that when the layer stack is epitaxially grown on the surface section of the substrate having the intermediate layer, it passes through the intermediate layer disturbed crystal growth before the active layer grows epitaxially into an orderly single-crystal growth.
  • this measure can lead to the fact that the dimension of the intermediate layer parallel to the surface section of the substrate is very small compared to a dimension of the radiation-generating layer stack of the diode parallel to this section, and thus also the effect of the intermediate layer. layer is insignificant with regard to the improvement of the external efficiency of the diode.
  • This problem can be solved in a simple and advantageous manner in that between the layer stack and the surface section of the substrate there are a plurality of intermediate layers which in each case adjoin the surface section of the substrate and which jointly partially cover and partially release the surface section and completely cover the layer stack , and each of which has a reflective effect on the other part of the radiation generated which is radiating towards the surface section of the substrate.
  • intermediate layers can be used without exception, each of which is dimensioned sufficiently small that in this layer crystal growth of the layer stack of the diode changes back to an orderly single-crystal growth before the active layer of the stack grows epitaxially.
  • a large number of such small-sized individual intermediate layers can be distributed over the surface section of the substrate, each of which makes its contribution to improving the external efficiency of the diode, the contributions adding up and together resulting in a greatly improved external efficiency of the diode.
  • a gap should be left between two adjacent ones of these intermediate layers, in which the surface section of the substrate is exposed for starting the epitaxial growth of the layer stack on the substrate.
  • the intermediate space can have a smaller dimension than a small-sized intermediate layer.
  • These intermediate layers are preferably and advantageously at least in the region of the radiating layer stack of the diode distributed as evenly as possible on the surface area. cut the substrate arranged so that there is a reflection as uniformly distributed over this area.
  • An intermediate layer can, for example, be a sufficiently thin reflecting metal layer, which has the advantage that the radiation striking this layer is completely reflected.
  • Relatively easier to manufacture is a diode in which an intermediate layer defines a refractive interface which has a reflective effect on the part of the radiation generated which is radiated in the direction of the surface section of the substrate.
  • the intermediate layer can consist entirely of a material which has a smaller refractive index compared to a refractive index of the material of the substrate.
  • the refractive interface is the interface between the surface section of the substrate and the intermediate layer which flatly adjoins this section. This interface is totally reflective. For total reflection at large angles of incidence to the normal of the surface portion of the substrate at this refractive interface, the refractive index difference between the larger refractive index of the substrate and the smaller refractive index of the intermediate layer should be as small as possible.
  • An advantageous intermediate layer which defines a refractive interface, has an oxide or nitride of the material of the substrate.
  • Such an intermediate layer can be produced in a simple manner by oxidizing or nitriding the material of the substrate to a certain depth on a surface of the substrate. This creates a full-surface layer of oxide or nitride from the material under this surface. rials of the substrate, which has a thickness corresponding to the determined depth.
  • Any desired reflective intermediate layer can be produced from this layer by removing the layer in regions around the desired intermediate layer down to the material of the substrate.
  • the refractive interface of the desired intermediate layer consists of the interface between the material of the substrate and the oxide or nitride of this material remaining thereon.
  • the higher external efficiency of the diode results in comparison to an already proposed diode, which has a Bragg reflector or a reflective refractive surface in the layer stack, essentially because the reflective intermediate layer between the layer stack and the surface section of the substrate is indifferent whether it is made of metal or defines a reflecting refractive interface, has or can have a much higher reflectivity.
  • This reflectivity is or can be so high that the intermediate layer, although it only covers a part of the surface section of the substrate in the region of the radiating layer stack of the diode, still has a greater power component of the part radiated in the direction of this surface section, that of the active layer Layer generated radiation reflects than the reflector or the reflective refractive surface in the layer stack of an already proposed diode can.
  • the external efficiency of the diode can furthermore be improved if at least one layer is arranged in the layer stack between an intermediate layer and the active layer, which layer has a reflecting effect on the other part of the radiation generated which radiates in the direction of the surface section of the substrate.
  • a layer arranged in the layer stack and having a reflective effect for this other part of the radiation can advantageously bring about an additional improvement in the already improved external efficiency of the diode.
  • This measure can be implemented, for example, if a layer arranged in the layer stack and having a reflective effect on the other part of the radiation generated has a layer sequence of epitaxial layers with alternating relatively higher and lower refractive index, which acts as a Bragg reflector for the other part of the radiation .
  • the one or more reflective intermediate layers reflect at large angles of incidence to the normal of the surface section of the substrate and the Bragg reflector at small angles of incidence to this normal, so that in this case almost all of the power of the other part of the radiation which is radiated in the direction of the surface section of the substrate is reflected.
  • the diode according to the invention can be implemented and used as a light-emitting diode, infrared diode or UV diode
  • FIG. 1 shows a vertical section along the line II-II in FIG. 2 through an embodiment of the diode according to the invention
  • FIG. 2 shows a plan view of the surface section of the substrate example according to FIG. 1 with the layer stack of the diode removed and the distribution of the several intermediate layers of this diode on the surface section, and
  • FIG. 3 shows the detail A in FIG. 1 in an enlarged illustration, showing the reflective layer in the form of a Bragg reflector in the layer stack of the exemplary embodiment.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 1 of the optical semiconductor diode, generally designated 1, has a layer stack 20 of epitaxial layers 21, 22, 23, 24 and 25 that has grown on a surface section 11 of a substrate 10 and contains an active layer 24 for generating optical radiation 30 .
  • the substrate 10 and the layers 21, 22 and 23 of this stack 20 located between its surface section 11 and the active layer 24 of the layer stack 20 each consist of semiconductor material of one and the same conductivity type, and that on the surface section 11 of the
  • Layer 25 of the layer stack 20 located on the side facing away from the active layer 24 of the layer stack 20 consists of the other conductivity type opposite to the one conductivity type.
  • the substrate 10 and the layers 21, 22 and 23 of the conductivity type P and the layer 25 of the conductivity type N are provided.
  • Each of the layers 21, 23 and 25 can consist of a material homogeneously or inhomogeneously of a sequence of layers, the material of which differs little from one another. distinguishes, for example, only by a different stoichiometric composition of the otherwise identical chemical substances and / or a different doping.
  • the active layer 24 is arranged in the transition from one to the other conductivity type, in the example in the PN transition from the P-doped layer 23 to the N-doped layer 25 of the layer stack 20 and can consist of conventional materials, such as those used for conventional LEDs and Infrared diodes are known to be used.
  • the optical radiation 30 is generated in that the transition from one conductivity type to the other is operated electrically in the forward direction.
  • a voltage which is polarized in the forward direction of the transition from one conductivity type to the other in order to produce an electrical current causing the optical radiation 30 in the active layer 24 is to be applied in this transition.
  • a part 31 of the generated radiation 30 is emitted by the active layer 24 in the direction of the surface 26 of the layer stack 20 facing away from the surface section 11 of the substrate 10, said surface being directed to a medium 28 with a refractive index 25 of the layer 25 of a different conductivity type of the layer stack 20 is bounded by a smaller refractive index n 8 and from which this part 31 of the radiation 30 is to emerge as loss-free as possible.
  • the medium 28 often consists of air.
  • the smaller refractive index n25 is essentially 1, see above that the refractive index difference n25 - n27 is almost equal to n25 - 1 and thus relatively maximum.
  • this surface 26 advantageously has small local bumps which are as uniform as possible this surface 26 is distributed and symbolically indicated in FIG. 1 by a sawtooth line 267.
  • the unevenness 267 is generated by roughening the surface 26.
  • another part 32 of the radiation 30 generated by the active layer 20 is radiated in the direction of the surface section 11 of the substrate 10.
  • n2i - n ⁇ _ol of the refractive index difference n2i - TII Q between the refractive index n2i of the layer 21 of the layer stack 20 and the refractive index n_g of the substrate 10 is small, so that the other part 32 passes through the layer 21 at most with little loss the surface section 11 emerges into the substrate 10.
  • the substrate 10 consists of a material that absorbs the radiation 30 generated, the power of the other part 32 of the radiation 30 is absorbed in the substrate 10.
  • the thickness T between the mutually facing surface sections 11 and 12 of the substrate 10 is so great that the entire other part 32 of the radiation 30 is absorbed in the substrate 10 and is therefore irretrievably lost.
  • at least one intermediate layer 4 is arranged between the layer stack 20 and the surface section 11 of the substrate 10, which flatly adjoins the surface section 11 of the substrate 10, which partly covers and partly leaves this surface section 11 open, and which for in the direction of the surface section 11 of the substrate 10, the other part 32 of the radiation 30 generated has a reflective effect.
  • Reflecting means that the intermediate layer 4 reflects the other part 32 of the radiation 30 more than possibly the surface section 11 of the substrate 10 due to a small refractive index difference between the substrate 10 and the adjacent epitaxial layer 21 of the layer stack 20.
  • the intermediate layer 4 does not cover the surface section 11 of the substrate 10 completely, but only partially, so that part of this section 11 remains free, on which the epitaxial growth of the layer 21 of the layer stack 20 can be started.
  • the layer stack 20 have predetermined thicknesses T20 i n the order of 10 microns, which should be maintained in the described ennen here inventive diode. 1
  • a thickness t and a dimension d of the intermediate layer 12 parallel to the surface section 11 of the substrate 10 are dimensioned so small that the epitaxial layer Waxing the layer stack 20 on the surface section 11 having the intermediate layer 12, a crystal growth disturbed by the intermediate layer 12 changes again into an orderly monocrystalline growth before the epitaxial growth of the active layer 24.
  • this measure is implemented according to FIGS. 1 and 2.
  • a plurality of horizontal rows each consisting of a plurality of individual intermediate layers 4 are arranged on the surface section 11 of the substrate 10, which are separated from one another by a common intermediate space 40 in which the surface section 11 for starting the epitaxial growth of the layer stack 20 exposed.
  • the shape and size of the individual intermediate layers 4 relative to one another can in principle be selected as desired.
  • all the intermediate layers 4 shown are rectangular, in particular square, and are arranged, for example, with horizontally oriented sides.
  • the distance d ⁇ _2 between adjacent individual intermediate layers 4 is limited at the bottom by the fact that the epitaxial growth of the layer stack 20 must be possible at this distance d ⁇ _2.
  • a dimension of a single intermediate layer 4 parallel to the surface section 11 of the substrate 10, for example the horizontal dimension d and / or the vertical dimension d_ in FIG. 2, is preferably chosen to be as small as possible, but is to be selected to be greater than half of a predetermined wavelength ⁇ which is contained in the optical radiation 30 emitted by the diode 1.
  • an incomparably greater number of individual intermediate layers 4 are then present on the surface section 11 of the substrate than are shown in FIGS. 1 and 2.
  • the surface section 11 covered with these intermediate layers 4 quasi for the other part 32 of the optical radiation 30 generated in the active layer 24 that is radiated in the direction of this section 11 acts like a continuous reflective surface that reflects a power portion of this other part 32.
  • This reflected power component propagates through the layer stack 20 in the direction of its surface 26 facing away from the surface section 11 of the substrate 10, at which it emerges from the diode 1 and thereby amplifies part 31 of the optical radiation 30 generated by the active layer 24.
  • the intermediate layers 4 of the exemplary embodiment are defined, for example, by a refractive interface which has a reflective effect on the other part 32 of the radiation 30 generated, which is radiated in the direction toward the surface section 11 of the substrate 10, and which preferably the interface 411 between the intermediate layer 4 and the surface section 11 of the substrate 10 is.
  • the intermediate layer 4 consists homogeneously of a material with a refractive index n_j that is smaller than that Refractive index n ⁇ _o of the substrate 10, so that the boundary layer 411 is totally reflective for the other part 32 of the radiation 30.
  • the thickness t of the intermediate layer 4 is to be selected, at least in this case, the intermediate layer 4 to be greater than half of the predetermined wavelength ⁇ which is contained in the optical radiation 30 emitted by the diode 1.
  • the intermediate layer 4 can be produced particularly simply if it consists of an oxide or nitride of the material of the substrate 10, the additional advantage being that.
  • Refractive index difference n ⁇ o ⁇ n 4 between the refractive index n ⁇ o of the substrate 10 and the refractive index n ⁇ of the intermediate layer 4 and thus the total reflection angle measured to a normal 110 of the surface section 11 of the substrate 10 are particularly large.
  • Layer 24 at least one epitaxial layer 22 is arranged, which has a reflecting effect for the other part 32 of the radiation 30 generated, which radiates in the direction of the surface section 11 of the substrate 10.
  • This layer 22 already reflects a power component of the other part 32 of the radiation 30 before it strikes an intermediate layer 4 and is reflected there again.
  • the power component reflected by the layer 22 and the power component reflected by an intermediate layer 4 can add up and together increase the radiation power of the radiation 30 emitted by the diode 1 beyond the magnification of this radiation power already achieved with the intermediate layer 4 alone.
  • the layer 22 can move in the direction parallel to the surface section 11 of the substrate 10 continuously in this direction over the entire dimension D of the radiation-generating layer stack 20 of the diode 1.
  • the layer 22 should be designed in such a way that it reflects the other part 32 of the radiation 30 generated, which is radiated in the direction of the surface section 11 of the substrate 10, at a different reflection angle to the normal 110 than an intermediate layer 4.
  • the angle of reflection at an intermediate layer 4 is designated by ⁇ and the angle of reflection at layer 22 is designated by ⁇ .
  • Different reflection angles ⁇ and ⁇ can be achieved in that the reflective layer 22, as indicated in FIG. 3, a layer sequence of epitaxial layers 221, 222,... 22m (m is an integer greater than 2) with an alternately relatively higher refractive index nl and has a relatively lower refractive index n2, which acts as a Bragg reflector for the other part 32 of the generated radiation 30.
  • an intermediate layer 4 can reflect at an angle of reflection ⁇ of approximately 70 ° and the layer 22 can be designed such that it reflects at an angle of reflection ⁇ of approximately 20 °. Since one and the other part 31 or 32 of the radiation 30 generated in the active layer 24 radiates from the active layer 24 essentially at all angles between 0 ° and 90 ° to the normal 110 of the surface section 11 of the substrate 10, it is in this If advantageously in the region of each intermediate layer 4, almost the entire power of the other part 32 of the radiation 30 is reflected.
  • Each intermediate layer 4 consists of Si0 2 or SiN x .
  • the thickness T of the substrate 10 is 50-200 ⁇ m, the thickness T20 of the layer stack 20: 0.1-5 ⁇ m, the dimensions d and d ⁇ of an intermediate layer 4: 0.5-5 ⁇ m, the distance d] _2 between adjacent ones Intermediate layers 4: 0.1-2 ⁇ m and the thickness t of an intermediate layer 4: 0.05-l ⁇ m.

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Abstract

Optische Halbleiterdiode (1), bei der zwischen einem epitaktischen Schichtenstapel (20) auf einem Oberflächenabschnitt (11) eines Substrats (10) und diesem Oberflächenabschnitt zumindest eine flächig an den Oberflächenabschnitt grenzende und den Oberflächenabschnitt teilweise bedeckende und teilweise freilassende Zwischenschicht (4) angeordnet ist, die für einen in Richtung zum Oberflächenabschnitt strahlenden Teil (32) einer im Schichtenstapel erzeugten Strahlung (30) reflektierend wirkt.

Description

Beschreibung
Optische Halbleiterdiode
Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eine optische Halbleiterdiode mit einem auf einem Oberflächenabschnitt eines Substrats gewachsenen Schichtenstapel aus epitaktischen Schichten, die eine aktive Schicht zur Erzeugung optischer Strahlung enthalten, wobei ein Teil der er- zeugten Strahlung durch eine vom Oberflächenabschnitt des
Substrats abgekehrte Oberfläche des Schichtenstapels und ein anderer Teil dieser Strahlung in Richtung zum Oberflächenabschnitt des Substrats abstrahlt, und wobei das Substrat aus einem die erzeugte Strahlung absorbierenden Material besteht.
Dioden der genannten Art sind beispielsweise in Form von Leucht- oder Infrarotdioden allgemein bekannt.
Bei einer derartigen Diode strahlt ein großer Leistunganteil des in Richtung zum Oberflächenabschnitt des Substrats abstrahlenden anderen Teils der Strahlung in das Substrat und geht im Substrat durch Absorption verloren. Dadurch ist der externe Wirkungsgrad der Diode begrenzt.
Zur Erhöhung des externen Wirkungsgrads einer solchen Diode ist vorgeschlagen worden, im Schichtenstapel zwischen dem Oberflächenabschnitt des Substrats und der aktiven Schicht eine Schichtenfolge aus epitaktischen Schichten mit ab- wechelnd höherem und niedrigerem Brechungsindex anzuordnen, die für den anderen Teil der Strahlung als ein Bragg-
Reflektor wirkt und diesen anderen Teil teilweise zum Substrat durchläßt und teilweise in Richtung zu der vom Oberflä- chenabschnitt des Substrats abgekehrten Oberfläche des Schichtenstapels reflektiert.
Der an der Schichtenfolge reflektierte Leistungsanteil des anderen Teils der Strahlung verstärkt den von der Diode abge- strahlten einen Teil der Strahlung und verbessert so deren externen Wirkungsgrad.
Die als Bragg-Reflektor wirkende vorgeschlagene Schichtenfol- ge reflektiert Strahlung, die in einem Winkel von 0°bis 25° zur Normalen einer Schichtebene der Schichtenfolge auf diese Folge trifft.
Zur Verbesserung des externen Wirkungsgrads einer solchen Diode ist auch vorgeschlagen worden, im Schichtenstapel zwischen dem Oberflächenabschnitt des Substrats und der aktiven Schicht eine brechende Grenzfläche zwischen einer Schicht mit relativ niedrigem Brechungsindex des Schichtenstapels und einer an diese Schicht grenzenden Schicht mit relativ hohem Brechungsindex des Schichtenstapels auszubilden, wobei die
Schicht mit dem relativ niedrigen Brechungsindex zwischen der aktiven Schicht und der Schicht mit dem relativ hohen Brechungsindex angeordnet ist.
Die brechende Grenzfläche läßt einen Leistungsanteil des in Richtung zum Oberflächenabschnitt des Substrats gestrahlten anderen Teils der Strahlung teilweise zum Oberflächenabschnitt des Substrats durch und reflektiert einen Leistungsanteil dieses anderen Teils unter Ausnutzung der Totalrefle- xion in Richtung zu der vom Oberflächenabschnitt des Substrats abgekehrten Oberfläche des Schichtenstapels.
Auch der an dieser brechenden Grenzfläche reflektierte Leistungsanteil des anderen Teils der Strahlung verstärkt den von der Diode abgestrahlten einen Teil der Strahlung und verbessert so deren externen Wirkungsgrad.
Der Brechungsindexsprung an der brechenden Grenzfläche sollte möglichst groß sein, um die Totalreflexion unter großen Ein- fallswinkeln der Strahlung von mehr als 70° zur Normalen der Zwischenschicht ausnutzen zu können. Ein großer Brechungsin- dexsprung wird in erster Linie dadurch erhalten, daß der relativ niedrige Brechungsindex möglichst klein gewählt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aufzuzeigen, wie bei einer Diode der eingangs genannten Art ein noch höherer externer Wirkungsgrad erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Gemäß dieser Lösung ist bei einer Diode der eingangs genannten Art zwischen dem Schichtenstapel und dem Oberflächenabschnitt des Substrats zumindest eine flächig an den Oberflä- chenabschnitt des Substrats grenzende und diesen Oberflächen- abschnitt teilweise bedeckende und teilweise freilassende
Zwischenschicht angeordnet, die für den in Richtung zum Oberflächenabschnitt des Substrats strahlenden anderen Teil der erzeugten Strahlung reflektierend wirkt.
Diese Lösung hat den Vorteil, daß von dem in Richtung zum Oberflächenabschnitt des Substrats abgestrahlten Teils der Strahlung, wie später näher erläutert, ein größerer Lei- stungsanteil als bisher vor Eintritt in das absorbierende Substrat reflektiert und zur Verstärkung des von der Diode abgestrahlten einen Teils der Strahlung verwendet werden kann, so daß ein insgesamt höherer externer Wirkungsgrad der Diode zu erzielen ist.
Die Zwischenschicht darf den Oberflächenabschnitt des Sub- strats nicht ganz, sondern nur teilweise bedecken und muß einen Teil dieses Abschnitts für ein Beginnen des epitaktischen Wachsens des Schichtenstapels auf dem Substrat freilassen. Andererseits soll die Zwischenschicht nach dem Wachsen des Schichtenstapels ganz von diesem Stapel bedeckt sein. Beides hat zur Folge, daß die Zwischenschicht vor dem epitaktischen Wachsen des Schichtenstapels auf dem Oberflächenabschnitt aufgebracht werden muß . Da die aufgebrachte Zwischenschicht eine gewisse Dicke aufweist, definiert sie eine Stufe auf dem Oberflächenabschnitt, die beim nachfolgenden epitaktischen Aufwachsen des Schich- tenstapels Wachstumsstörungen verursachen kann.
Wachsstumsstörungen können unabhängig davon u.a. auch auftreten, wenn z.B. die Zwischenschicht aus einem Material besteht, in welchem keine einkristallinen Verhältnisse vorlie- gen oder ein Kristallgitter des Materials der Zwischenschicht und ein Kristallgitter eines Materials des Schichtenstapels nicht zusammenpassen.
Zumindest für das Wachsen der aktive Schicht des Schichten- stapeis sind aber derart geordnete einkristalline Verhältnisse erforderlich, daß spätestens vor dem Wachsen der aktiven Schicht an der Oberfläche des bis dahin gewachsenen Teils des Schichtenstapels, auf dem die aktive Schicht gewachsen wird, einkristalline Verhältnisse vorliegen und keine gestörten Kristallgefüge mehr vorhanden sind.
Um dies sicherzustellen, sind bei einer bevorzugten und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Diode eine Dicke und eine zum Oberflächenabschnitt des Substrats paral- lele Abmessung der Zwischenschicht so klein bemessen, daß beim epitaktischen Wachsen des Schichtenstapels auf dem die Zwischenschicht aufweisenden Oberflächenabschnitt des Substrats ein durch die Zwischenschicht gestörtes Kristallwachstum vor dem epitaktischen Wachsen der aktiven Schicht wieder in ein geordnetes einkristallines Wachstum übergeht.
Diese Maßnahme kann unter Umständen dazu führen, daß die zum Oberflächenabschnitt des Substrats parallele Abmessung der Zwischenschicht im Vergleich zu einer zu diesem Abschnitt pa- rallelen Abmessung des Strahlungserzeugenden Schichtenstapels der Diode sehr klein und dadurch auch die Wirkung der Zwi- schenschicht hinsichtlich der Verbesserung des externen Wirkungsgrades der Diode entsprechend unbedeutend ist.
Dieses Problem läßt sich in einfacher und vorteilhafter Weise dadurch lösen, daß zwischen dem Schichtenstapel und dem Ober- flächenabschnitt des Substrats mehrere jeweils flächig an den Oberflächenabschnitt des Substrats grenzende Zwischenschichten vorhanden sind, die gemeinsam den Oberflächenabschnitt teilweise bedecken und teilweise freilassen und ganz vom Schichtenstapel bedeckt sind, und deren jede für den in Richtung zum Oberflächenabschnitt des Substrats strahlenden anderen Teil der erzeugten Strahlung reflektierend wirkt.
Bei dieser Lösung können ausnahmslos Zwischenschichten ver- wendet werden, deren jede so ausreichend klein bemessen ist, daß bei dieser Schicht ein Kristallwachstum des Schichtenstapels der Diode vor dem epitaktischen Wachsen der aktiven Schicht des Stapels wieder in ein geordnetes einkristallines Wachstum übergeht.
Auf dem Oberflächenabschnitt des Substrats kann eine Vielzahl derartig klein bemessener einzelner Zwischenschichten flächig verteilt sein, deren jede ihren Beitrag zur Verbesserung des externen Wirkungsgrads der Diode leistet, wobei sich die Bei- träge summieren und gemeinsam einen stark verbesserten externen Wirkungsgrad der Diode ergeben.
Zwischen jeweils zwei benachbarten dieser Zwischenschichten sollte ein Zwischenraum freibleiben, in welchem der Oberflä- chenabschnitt des Substrats für ein Beginnen des epitaktischen Wachstums des Schichtenstapels auf dem Substrat freiliegt. Der Zwischenraum kann eine kleinere Abmessung als eine klein bemessene Zwischenschicht aufweisen.
Diese Zwischenschichten werden Vorzugs- und vorteilhafterweise zumindest im Bereich des strahlenden Schichtenstapels der Diode möglichst gleichmäßig verteilt auf dem Oberflächenab- schnitt des Substrats angeordnet, so daß eine möglichst gleichmäßig auf diesen Bereich verteilte Reflexion gegeben ist.
Eine Zwischenschicht kann beispielsweise eine ausreichend dünne spiegelnde Metallschicht sein, die den Vorteil hat, daß die auf diese Schicht treffende Strahlung vollständig reflektiert wird.
Relativ dazu einfacher herzustellen ist eine Diode, bei der eine Zwischenschicht eine für den in Richtung zum Oberflächenabschnitt des Substrats gestrahlten Teil der erzeugten Strahlung reflektierend wirkende brechende Grenzfläche definiert.
Beispielsweise kann die Zwischenschicht ganz aus einem Material bestehen, das im Vergleich zu einem Brechungsindex des Materials des Substrats einen kleineren Brechungsindex aufweist. Die brechende Grenzfläche ist in diesem Fall die Grenzfläche zwischen dem Oberflächenabschnitt des Substrats und der flächig an diesen Abschnitt grenzenden Zwischenschicht. Diese Grenzfläche wirkt totalreflektierend. Für eine Totalreflexion unter großen Einfallswinkeln zur Normalen des Oberflächenabschnitts des Substrats an dieser brechenden Grenzfläche sollte die Brechungsindexdifferenz zwischen dem größeren Brechungsindex des Substrats und dem kleineren Brechungsindex der Zwischenschicht möglichst klein sein.
Eine vorteilhafte Zwischenschicht, die eine brechende Grenz- fläche definiert, weist ein Oxid oder Nitrid des Materials des Substrats auf.
Eine solche Zwischenschicht kann auf einfache Weise dadurch hergestellt werden, daß an einer Oberfläche des Substrats das Material des Substrats bis zu einer bestimmten Tiefe oxidiert oder nitriert wird. Dadurch entsteht unter dieser Oberfläche eine ganzflächige Schicht aus dem Oxid oder Nitrid des Mate- rials des Substrats, die eine der bestimmten Tiefe entsprechende Dicke aufweist.
Aus dieser Schicht kann jede gewünschte reflektierend wirken- de Zwischenschicht durch bereichsweises Entfernen der Schicht um die gewünschte Zwischenschicht herum bis zum Material des Substrats erzeugt werden. Die brechende Grenzfläche der gewünschten Zwischenchicht besteht aus der Grenzfläche zwischen dem Material des Substrats und dem darauf verbliebenen Oxid oder Nitrid dieses Materials.
Der höhere externe Wirkungsgrad der Diode ergibt sich im Vergleich zu einer bereits vorgeschlagenen Diode, die einen Bragg-Reflektor oder eine reflektierend wirkende brechende Fläche im Schichtenstapel aufweist, im wesentlichen dadurch, daß die reflektierend wirkende Zwischenschicht zwischen dem Schichtenstapel und dem Oberflächenabschnitt des Substrats, gleichgültig ob diese aus Metall besteht oder eine reflektierend wirkende brechende Grenzfläche definiert, ein ungleich höheres Reflexionsvermögen hat oder haben kann. Dieses Reflexionsvermögen ist oder kann so hoch sein, daß die Zwischenschicht, obgleich sie im Bereich des strahlenden Schichtenstapels der Diode nur einen Teil des Oberflächenabschnitts des Substrats bedeckt, immer noch einen größeren Leistungsan- teil des in Richtung zu diesem Oberflächenabschnitt abgestrahlten Teils der in der aktiven Schicht erzeugten Strahlung reflektiert, als es der Reflektor oder die reflektierend wirkende brechende Fläche im Schichtenstapel einer bereits vorgeschlagenen Diode vermag.
Vorteilhafterweise kann der externe Wirkungsgrad der Diode darüber hinaus noch verbessert werden, wenn im Schichtenstapel zwischen einer Zwischenschicht und der aktiven Schicht zumindest eine Schicht angeordnet ist, die für den in Rich- tung zum Oberflächenabschnitt des Substrats strahlenden anderen Teil der erzeugten Strahlung reflektierend wirkt. Eine im Schichtenstapel angeordnete und für diesen anderen Teil der Strahlung reflektierend wirkende Schicht kann vorteilhafterweise eine zusätzliche Verbesserung des bereits verbesserten externen Wirkungsgrads der Diode bringen.
Dies insbesondere dann, wenn eine im Schichtenstapel angeordnete reflektierend wirkende Schicht unter einem Reflexionswinkel reflektiert, der verschieden von einem Reflexionswinkel einer reflektierend wirkenden Zwischenschicht ist.
Diese Maßnahme kann beispielsweise realisiert werden, wenn eine im Schichtenstapel angeordnete und für den anderen Teil der erzeugten Strahlung reflektierend wirkende Schicht eine Schichtenfolge aus epitaktischen Schichten mit abwechselnd relativ höherem und niedrigerem Brechungsindex aufweist, die für den anderen Teil der Strahlung als ein Bragg-Reflektor wirkt.
Der besondere Vorteil ist in diesem Fall darin zu sehen, daß die eine oder mehreren reflektierend wirkenden Zwischenschichten bei großen Einfallswinkeln zur Normalen des Oberflächenabschnitts des Substrats und der Bragg-Reflektor bei kleinen Einfallswinkeln zu dieser Normalen reflektieren, so daß in diesem Fall nahezu die gesamte Leistung des in Rich- tung zum Oberflächenabschnitt des Substrats strahlenden anderen Teils der erzeugten Strahlung reflektiert wird.
Die erfindungsgemäße Diode kann als Leuchtdiode, Infrarotdiode oder UV-Diode realisiert und verwendet werden
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen vertikalen Schnitt längs der Linie II-II in Fi- gur 2 durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Diode, Figur 2 eine Draufsicht auf den Oberflächenabschnitt des Substrats Beispiels nach Figur 1 bei entferntem Schichtenstapel der Diode und die Verteilung der mehreren Zwischenschichten dieser Diode auf dem Oberflächenab- schnitt zeigend, und
Figur 3 den Ausschnitt A in Figur 1 in vergrößerter Darstellung, zeigend die in Form eines Bragg-Reflektors ausgebildete reflektierend wirkende Schicht im Schich- tenstapel des Ausführungsbeispiels.
Die Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der generell mit 1 bezeichneten optische Halbleiterdiode weist einen auf einem Oberflächenabschnitt 11 eines Substrats 10 gewachsenen Schichtenstapel 20 aus epitaktischen Schichten 21, 22, 23, 24 und 25 auf, die eine aktive Schicht 24 zur Erzeugung optischer Strahlung 30 enthalten.
Das Substrat 10 und die zwischen dessen Oberflächenabschnitt 11 und der aktiven Schicht 24 des Schichtenstapels 20 befindlichen Schichten 21, 22 und 23 dieses Stapels 20 bestehen jeweils aus Halbleitermaterial ein und desselben Leitfähig- keitstyps, und die auf der vom Oberflächenabschnitt 11 des
Substrats 10 abgekehrten Seite der aktiven Schicht 24 befindliche Schicht 25 des Schichtenstapels 20 besteht aus dem zum einen Leitfähigkeitstyps entgegengesetzten anderen Leitfähigkeitstyp.
Beispielsweise und ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind das Substrat 10 und die Schichten 21, 22 und 23 des Leitfähigkeitstyps P und die Schicht 25 des Leitfähigkeitstyps N
Jede einzelne der Schichten 21, 23 und 25 kann jeweils homogen aus einem Material oder inhomogen aus einer Folge von Lagen bestehen, deren Material sich wenig voneinander unter- scheidet, beispielsweise nur durch eine unterschiedliche stöchiometrische Zusammensetzung der sonst gleichen chemischen Stoffe und/oder eine unterschiedliche Dotierung.
Die aktive Schicht 24 ist im Übergang vom einen zum anderen Leitfähigkeitstyp, beim Beispiel im P-N-Übergang von der P- dotierten Schicht 23 zur N-dotierten Schicht 25 des Schichtenstapels 20 angeordnet und kann aus üblichen Materialien bestehen, wie sie beispielsweise für herkömmliche LEDs und Infrarotdioden bekannt sind verwendet werden.
Die optische Strahlung 30 wird dadurch erzeugt, daß der Übergang vom einen zum anderen Leitfähigkeitstyp elektrisch in Durchlaßrichtung betrieben wird. Dazu ist beispielsweise auf einem vom Schichtenstapel 20 und damit vom einen Oberflächen- abschnitt 11 des Substrats 10 abgekehrten anderen Oberflächenabschnitt 12 des Substrats 10 ein elektrischer Kontakt 13 und auf einer vom einen Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 abgekehrten Oberfläche 26 des Schichtenstapels 20 ein wei- terer elektrischer Kontakt 27 aufgebracht. Zwischen den beiden Kontakten 13 und 27 ist in bekannter Weise eine in Durchlaßrichtung des Übergangs vom einen zum anderen Leitfähigkeitstyp gepolte elektrische Spannung zur Erzeugung eines die optische Strahlung 30 in der aktiven Schicht 24 verursachen- den elektrischen Stromes in diesem Übergang anzulegen.
Ein Teil 31 der erzeugten Strahlung 30 wird von der aktiven Schicht 24 in Richtung zu der vom Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 abgekehrten Oberfläche 26 des Schichtenstapels 20 abgestrahlt, die an ein Medium 28 mit einem im Vergleich zu einem Brechungsindex 25 der Schicht 25 vom anderen Leitfähigkeitstyp des Schichtenstapels 20 kleineren Brechungsindex n 8 grenzt und aus der dieser Teil 31 der Strahlung 30 möglichst verlustfrei austreten soll.
Das Medium 28 besteht vielfach aus Luft. In diesem Fall ist der kleinere Brechungsindex n25 im wesentlichen gleich 1, so daß die Brechungsindexdifferenz n25 - n27 nahezu gleich n25 - 1 und damit relativ maximal ist. Je größer die Brechungsindexdifferenz n25 - n27 ist, desto ungünstiger ist sie für einen möglichst verlustfreien Austritt des Teils 31 der Strah- lung 30 aus der Oberfläche 26 des Schichtenstapels 20.
Um einen möglichst verlustfreien Austritt des Teil 31 der Strahlung 30 aus der Oberfläche 26 des Schichtenstapels 20 auch in dem Fall einer hohen und sogar der relativ maximalen Brechungsindexdifferenz n25 - n27 zu erreichen, weist diese Oberfläche 26 vorteilhafterweise kleine lokale Unebenheiten auf, die möglichst gleichmäßig über diese Fläche 26 verteilt und in der Figur 1 symbolisch durch eine Sägezahnlinie 267 angedeutet sind. Beispielsweise sind die Unebenheiten 267 durch eine Aufrauhung der Oberfläche 26 erzeugt.
Neben dem einen Teil 31 wird ein anderer Teil 32 der von der aktiven Schicht 20 erzeugten Strahlung 30 in Richtung zum Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 gestrahlt. Naturge- maß ist der Betrag |n2i - nτ_ol der Brechungsindexdifferenz n2i - TII Q zwischen dem Brechungsindex n2i der Schicht 21 des Schichtenstapels 20 und dem Brechungsindex n_g des Substrats 10 klein, so daß der andere Teil 32 allenfalls mit geringem Verlust aus der Schicht 21 durch den Oberflächenabschnitt 11 in das Substrat 10 austritt.
Da bei den gattungsgemäßen Dioden, zu denen die Diode 1 gehört, das Substrat 10 aus einem die erzeugte Strahlung 30 absorbierenden Material besteht, wird Leistung des anderen Teils 32 der Strahlung 30 im Substrat 10 absorbiert. Üblicherweise ist die Dicke T zwischen den voneinander abgekehrten Oberflächenabschnitten 11 und 12 des Substrats 10 so groß, daß der ganze andere Teil 32 der Strahlung 30 im Substrat 10 absorbiert wird und damit unwiederbringlich verloren geht. Um dies möglichst zu verhindern, ist zwischen dem Schichtenstapel 20 und dem Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 zumindest eine Zwischenschicht 4 angeordnet, die flächig an den Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 grenzt, die die- sen Oberflächenabschnitt 11 teilweise bedeckt und teilweise freiläßt und die für den in Richtung zum Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 strahlenden anderen Teil 32 der erzeugten Strahlung 30 reflektierend wirkt.
"Reflektierend wirken" bedeutet, daß die Zwischenschicht 4 den anderen Teil 32 der Strahlung 30 stärker reflektiert, als möglicherweise der Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 aufgrund einer geringen Brechungsindexdifferenz zwischen dem Substrat 10 und der angrenzenden epitaktischen Schicht 21 des Schichtenstapels 20.
Dies bedeutet wiederum, daß für die Zwischenschicht 4 Materialien in Betracht zu ziehen sind, die sich vom Material der epitaktischen Schichten 21, 22, 23 und 25 stark unterscheiden und insbesondere für ein epitaktisches Wachstum der Zwischenschicht 4 auf dem Substrat 10 und/oder ein epitaktisches Wachstum von Schichten des Schichtenstapels 20 auf der Zwischenschicht 4 nicht geeignet sind.
Damit dennoch der Schichtenstapel 20 epitaktisch auf dem Substrat 10 gewachsen werden kann, ist es notwendig, daß die Zwischenschicht 4 den Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 nicht ganz, sondern nur teilweise bedeckt, so daß von diesem Abschnitt 11 ein Teil freibleibt, auf dem mit dem epitak- tischen Wachsen der Schicht 21 des Schichtenstapels 20 begonnen werden kann.
Nach dem epitaktischen Wachsen des Schichtenstapels 20 müssen in der aktiven Schicht 24 des Schichtenstapels 20 aus Strah- lungserzeugungsgründen geordnete einkristalline Verhältnisse vorliegen. Um dies zu erreichen, dürfen spätestens vor dem Wachsen der aktiven Schicht 24 des Schichtenstapels 20 an der vom Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 abgekehrten Oberfläche des bis dahin gewachsenen Teils des Schichtenstapels 20, auf der die aktive Schicht gewachsen wird, d.h. im Beispiel auf der Oberfläche 230 der Schicht 23 des Stapels 20, keine gestörten Kristallgefüge mehr vorhanden sein, sondern es müssen dort geordnete einkristalline Verhältnisse vorliegen.
Bei gattungsgemäßen Dioden haben die Schichtenstapel 20 vorgegebene Dicken T20 in der Größenordnung von 10 μm, die auch bei der hier beschriebennen erfindungsgemäßen Diode 1 beibehalten werden sollten.
Um bei einer solchen geringen Dicke T20 des Schichtenstapels 20 eine geordnete einkristalline Verhältnisse aufweisende aktive Schicht 24 des Schichtenstapels 20 erhalten zu können, sind eine Dicke t und eine zum Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 parallele Abmessung d der Zwischenschicht 12 so klein bemessen, daß beim epitaktischen Wachsen des Schichtenstapels 20 auf dem die Zwischenschicht 12 aufweisenden Oberflächenabschnitt 11 ein durch die Zwischenschicht 12 gestörtes Kristallwachstum vor dem epitaktischen Wachsen der aktiven Schicht 24 wieder in ein geordnetes einkristallines Wachstum übergeht.
Mit dieser Maßnahme wird auch erreicht, daß der die aktive Schicht 24 mit den geordneten einkristallinen Verhältnissen aufweisende Schichtenstapel 20 wie in Figur 1 dargestellt die Zwischenschicht 4 ganz bedeckt.
Allerdings kann diese Maßnahme unter Umständen, beispielsweise in dem Fall, daß die Dicke t der Zwischenschicht 4 nach unten auf einen von null verschiedenen minimalen Wert be- grenzt ist, dazu führen, daß die zum Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 parallele Abmessung d der Zwischenschicht 4 im Vergleich zu einer zu diesem Abschnitt 11 parallelen Ab- messung D des Strahlungserzeugenden Schichtenstapels 20 der Diode 1 sehr klein und dadurch auch die Wirkung der Zwischenschicht 4 hinsichtlich der Verbesserung des externen Wirkungsgrades der Diode 1 entsprechend unbedeutend ist.
Dem kann dadurch begegnet werden, daß zwischen dem Schichtenstapel 20 und dem Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 mehrere jeweils flächig an den Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 grenzende Zwischenschichten 4 vorhanden sind, die gemeinsam den Oberflächenabschnitt 11 teilweise bedecken und teilweise freilassen und deren jede für den in Richtung zum Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 strahlenden anderen Teil 32 der erzeugten Strahlung 30 reflektierend wirkt.
Beim Ausführungsbeispiel ist nach den Figuren 1 und 2 diese Maßnahme realisiert. Gemäß Figur 2 sind auf dem Oberflächen- abschnitt 11 des Substrats 10 mehrere horizontale Reihen aus jeweils mehreren einzelnen Zwischenschichten 4 angeordnet, die durch einen gemeinsamen Zwischenraum 40 voneinander ge- trennt sind, in welchem der Oberflächenabschnitt 11 für ein Beginnen des epitaktischen Wachsens des Schichtenstapels 20 freiliegt.
Die Form und Größe der einzelnen Zwischenschichten 4 relativ zueinander sind prinzipiell beliebig wählbar. Beispielsweise sind alle dargestellten Zwischenschichten 4 rechteckig, insbesondere quadratisch ausgebildet und beispielsweise mit horizontal ausgerichteten Seiten angeordnet.
Der Abstand dι_2 zwischen benachbarten einzelnen Zwischenschichten 4 ist nach unten dadurch begrenzt, daß in diesem Abstand dι_2 das Beginnen des epitaktischen Wachsens des Schichtenstapels 20 möglich sein muß.
Eine zum Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 parallele Abmessung einer einzelnen Zwischenschicht 4, beispielsweise die horizontale Abmessung d und/oder die vertikale Abmessung d_ in Figur 2, wird vorzugsweise so klein wie möglich gewählt, ist aber größer als die Hälfte einer vorbestimmten Wellenlänge λ zu wählen, die in der von der Diode 1 abgestrahlten optischen Strahlung 30 enthalten ist.
Bei einer konkreten Ausführung des Ausführungsbeispiels der Diode 1 sind danach eine ungleich größere Anzahl einzelner Zwischenschichten 4 auf dem Oberflächenabschnitt 11 des Substrats vorhanden, als in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind.
Durch eine möglichst gleichmäßige Verteilung der einzelnen Zwischenschichten 4 auf dem Oberflächenabschnitt 11 wird vorteilhafterweise erreicht, daß der mit diesen Zwischenschich- ten 4 bedeckte Oberflächenabschnitt 11 für den in Richtung dieses Abschnitts 11 gestrahlten anderen Teil 32 der in der aktiven Schicht 24 erzeugten optischen Strahlung 30 quasi wie eine kontinuierliche reflektierende Fläche wirkt, die einen Leistungsanteil dieser anderen Teils 32 reflektiert.
Dieser reflektierte Leistungsanteil breitet sich durch den Schichtenstapel 20 in Richtung zu dessen vom Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 abgekehrten Oberfläche 26 aus, bei der er aus der Diode 1 austritt und dabei den einen Teil 31 der von der aktiven Schicht 24 erzeugten optischen Strahlung 30 verstärkt.
Die Zwischenschichten 4 des Ausführungsbeispiels sind beispielsweise durch eine für den in Richtung zum Oberflächenab- schnitt 11 des Substrats 10 gestrahlten anderen Teil 32 der erzeugten Strahlung 30 reflektierend wirkende brechende Grenzfläche definiert, die vorzugsweise die Grenzfläche 411 zwischen der Zwischenschicht 4 und dem Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 ist.
Die Zwischenschicht 4 besteht in diesem Fall homogen aus einem Material mit einem Brechungsindex n_j, der kleiner als der Brechungsindex nι_o des Substrats 10 ist, so daß die Grenzschicht 411 totalreflektierend für den anderen Teil 32 der Strahlung 30 wirkt. Die Dicke t der Zwischenschicht 4 ist zumindest in diesem Fall Zwischenschicht 4 größer als die Hälf- te der vorbestimmten Wellenlänge λ zu wählen, die in der von der Diode 1 abgestrahlten optischen Strahlung 30 enthalten ist.
Die Zwischenschicht 4 kann bei dieser Ausführung besonders einfach hergestellt werden, wenn sie aus einem Oxid oder Nitrid des Materials des Substrats 10 besteht, wobei der zusätzliche Vorteil gegeben ist, daß die. Brechungsindexdifferenz nχo ~~ n4 zwischen dem Brechungsindex n^o des Substrats 10 und dem Brechungsindex n^ der Zwischenschicht 4 und damit der zu einer Normalen 110 des Oberflächenabschnitts 11 des Substrats 10 gemessene Totalreflexionswinkel besonders groß sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Diode 1 ist im Schichtensta- pel 20 zwischen einer Zwischenschicht 4 und der aktiven
Schicht 24 zumindest eine epitaktische Schicht 22 angeordnet ist, die für den in Richtung zum Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 strahlenden anderen Teil 32 der erzeugten Strahlung 30 reflektierend wirkt. Diese Schicht 22 reflektiert be- reits einen Leistungsanteil des anderen Teils 32 der Strahlung 30 bevor dieser auf eine Zwischenschicht 4 trifft und dort noch einmal reflektiert wird.
Der von der Schicht 22 reflektierte Leistungsanteil und der von einer Zwischenschicht 4 reflektierte Leistungsanteil können sich summieren und gemeinsam die Strahlungsleistung der von der Diode 1 abgestrahlten Strahlung 30 über die mit der Zwischenschicht 4 allein bereits erreichte Vergrößerung dieser Strahlungsleistung hinaus erhöhen.
Die Schicht 22 kann sich wie in der Figur 1 dargestellt in Richtung parallel zum Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 kontinuierlich über die ganze Abmessung D des strahlungε- erzeugenden Schichtenstapels 20 der Diode 1 in dieser Richtung erstrecken.
Allerdings sollte die Schicht 22 so ausgebildet sein, daß sie den in Richtung zum Oberflächenabschnitt 11 des Substrats 10 gestrahlten anderen Teil 32 der erzeugten Strahlung 30 unter einem anderen Reflexionswinkel zur Normalen 110 als eine Zwischenschicht 4 reflektiert.
In der Figur 1 ist der Reflexionswinkel an einer Zwischenschicht 4 mit α und der Reflexionswinkel an der Schicht 22 mit ß bezeichnet.
Voneinander verschiedene Reflexionswinkel α und ß können dadurch erreicht werden, daß die reflektierend wirkende Schicht 22 wie in Figur 3 angedeutet eine Schichtenfolge aus epitaktischen Schichten 221, 222, ... 22m (m ist eine ganze Zahl größer 2) mit abwechselnd relativ höherem Brechungsindex nl und relativ niedrigerem Brechungsindex n2 aufweist, die für den anderen Teil 32 der erzeugten Strahlung 30 als ein Bragg- Reflektor wirkt.
Beispielsweise kann in diesem Fall eine Zwischenschicht 4 un- ter einem Reflexionswinkel α von annähernd 70° reflektieren und die Schicht 22 so gestaltet sein, daß diese unter einem Reflexionswinkel ß von annähernd 20° reflektiert. Da der eine und andere Teil 31 bzw. 32 der in der aktiven Schicht 24 erzeugten Strahlung 30 jeweils im wesentlichen in allen Winkeln zwischen 0° und 90° zur Normalen 110 des Oberflächenabschnitts 11 des Substrats 10 von der aktiven Schicht 24 abstrahlt, wird in diesem Fall vorteilhafterweise im Bereich jeder Zwischenschicht 4 nahezu die ganze Leistung des anderen Teils 32 der Strahlung 30 reflektiert.
Bei einer konkreten, nicht einschränkenden Ausführung des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels besteht das Substrat 10 aus GaAs, die epitaktische Schicht 21 aus N- dotiertem InGaAlP, die als Bragg-Reflektor wirkende epitaktische Schicht 22 aus Schichten 221 bis 22m aus abwechselnd N- dotiertem InGaAlP und N-dotiertem InGaAlP, die epitaktische Schicht 23 aus N-dotiertem InGaAlP, die aktive Schicht 24 aus InGaAlP und die epitaktische Schicht 25 aus P-dotiertem InGaAlP. Jede Zwischenschicht 4 besteht aus Si02 oder SiNx. Die Dicke T des Substrats 10 beträgt 50-200 μm, die Dicke T20 des Schichtenstapels 20: 0,1-5 μm, die Abmessungen d und d^ einer Zwischenschicht 4: 0,5-5 μm, der Abstand d]_2 zwischen benachbarten Zwischenschichten 4: 0,1-2 μm und die Dicke t einer Zwischenschicht 4: 0,05-lμm.

Claims

Patentansprüche
1. Optische Halbleiterdiode (1) mit einem auf einem Oberflächenabschnitt (11) eines Substrats (10) gewachsenen Schich- tenstapel (20) aus epitaktischen Schichten (21, 22, 23, 24, 25), die eine aktive Schicht (24) zur Erzeugung optischer Strahlung (30) enthalten, wobei ein Teil (31) der erzeugten Strahlung (30) durch eine vom Oberflächenabschnitt (11) des Substrats (10) abgekehrte Oberfläche (26) des Schichtensta- pels (20) und ein anderer Teil (32) dieser Strahlung (30) in Richtung zum Oberflächenabschnitt (11) des Substrats (10) abstrahlt, und wobei das Substrat (10) aus einem die erzeugte Strahlung (30) absorbierenden Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schichtenstapel (20) und dem Oberflächenabschnitt (11) des Substrats (10) zumindest eine flächig an den Oberflächenabschnitt (11) des Substrats (10) grenzende und diesen Oberflächenabschnitt (11) teilweise bedeckende und teilweise freilassende Zwischenschicht (4) angeordnet ist, die für den in Richtung zum Oberflächenabschnitt (11) des Substrats (10) strahlenden anderen Teil (32) der erzeugten Strahlung (30) reflektierend wirkt.
2. Diode (1) nach Anspruch 1, wobei eine Dicke (t) und eine zum Oberflächenabschnitt (11) des Substrats (10) parallele Abmessung (d) der Zwischenschicht (4) so klein bemessen sind, daß beim epitaktischen Wachsen des Schichtenstapels (20) auf dem die Zwischenschicht (4) aufweisenden Oberflächenabschnitt (11) ein durch die Zwischenschicht (4) gestörtes Kristallwachstum vor dem epitaktischen Wachsen der aktiven Schicht (24) wieder in ein geordnetes einkristallines Wachstum übergeht.
3. Diode (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen dem Schichtenstapel (20) und dem Oberflächenabschnitt (11) des Substrats (10) mehrere jeweils flächig an den Oberflächenabschnitt (11) des Substrats (10) grenzende Zwischenschichten (4) vorhanden sind, die gemeinsam den Oberflächenabschnitt (11) teilweise bedecken und teilweise freilassen und deren jede für den in Richtung zum Oberflächenabschnitt (11) des Substrats (10) strahlenden anderen Teil (32) der erzeugten Strahlung (30) reflektierend wirkt.
4. Diode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Zwischenschicht (4) eine für den in Richtung zum Oberflächenabschnitt (11) des Substrats (10) gestrahlten anderen Teil (32) der erzeugten Strahlung (30) reflektierend wirkende brechende Grenzfläche (411) definiert.
5. Diode (1) nach Anspruch 4, wobei eine Zwischenschicht (4) ein Oxid des Materials des Substrats (10) aufweist.
6. Diode nach Anspruch 4 oder 5, wobei eine Zwischenschicht (4) ein Nitrid des Materials des Substrats (10) aufweist.
7. Diode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schichtenstapel (20) zwischen einer Zwischenschicht (4) und der aktiven Schicht (24) zumindest eine Schicht (22) angeordnet ist, die für den in Richtung zum Oberflächenabschnitt (11) des Substrats (10) strahlenden anderen Teil (32) der erzeugten Strahlung (30) reflektierend wirkt.
8. Diode (1) nach Anspruch 7, wobei eine im Schichtenstapel angeordnete reflektierend wirkende Schicht (22) unter einem Reflexionswinkel (ß) reflektiert, der verschieden von einem Reflexionswinkel (α) einer reflektierend wirkenden Zwischenschicht (4) ist.
9. Diode (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine im Schichtenstapel (20) angeordnete und für den anderen Teil (32) der erzeugten Strahlung (30) reflektierend wirkende Schicht (22) eine Schichtenfolge aus epitaktischen Schichten (221, 222, ... 22n) mit abwechselnd relativ höherem und niedrigerem Bre- chungsindex (nl, n2) aufweist, die für den anderen Teil (32) der erzeugten Strahlung (30) als ein Bragg-Reflektor wirkt.
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