CN1127154C - 发射非相干光的光电子元件 - Google Patents
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Abstract
光发射光电子元件，其中在光产生本体(9)内设置一具有一光波引导层(3)的平面型光波导(7)。光波引导层(3)具有一光产生区(4)，在该区内在元件工作时产生电磁辐射。平面型光波导(7)为了从波导(7)中耦合输出光具有至少一个横向耦合输出锥形面(6)。
Description
本发明涉及一种发射非相干光的光电子元件。本发明尤其涉及半导体发光二极管。
从W.Bludau所著“半导体光电子学”慕尼黑，维也纳，Hanser出版社，1995年，第92-114页，例如已知多种半导体发光二极管(LEDs和IREDs)的结构原理。其中所述LEDs例如是在GaP，GaAsP，GaAs，GaAlAs，InGaAsP，InGaN半导体材料的基础上制造的。
到目前为止已为众所周知的发光二极管结构的核心问题是从产生光的半导体本体中高效地光耦合输出。这种耦合或者通过半导体本体的正面，或者通过半导体本体的侧面实现。有些发光二极管含有特殊的附加层用于改变光的分布，以便抑制半导体本体界面处的全反射。但是这些元件的外量子产额始终比较低。
作为本发明基础的任务在于，开发一种光发射光电子元件，与已知的发光二极管相比，这种元件具有提高了的外量子产额。
此项任务通过具有权利要求1的特征的光发射光电子元件解决。本发明元件的有利的进一步扩展和特别优异的实施结构是从属权利要求2至10的目标。
根据本发明具有平面型光波导的光产生本体中设置一光波引导层，在该光波导中此光波引导层具有一光产生区。在元件工作时，在此区中产生电磁辐射。平面型光波导具有至少一个侧向耦合输出锥形面，经此锥形面当元件工作时，在光产生区产生的光由波导中作为空间辐射耦合输出到光产生本体的周围。
对耦合输出锥形面可以非常概括地理解为一种斜的，即不平行也不垂直于平面型光波导中的光波传播方向的，波导的光波引导层的外侧表面。平面型光波导的整个外侧表面优先构成为耦合输出锥形面。因此光波引导层的这些外部区域对在光波引导层中传播的光子起锥形面的作用。
光产生本体的按本发明的结构强迫由光产生区发射的光子进入平面型光波导的波引导区，光波引导层。光产生区和平面型光波导优先是如此构成的，使得主要支持TE波的发射和支持在平面型光波导侧向的发射。
因此产生的电磁辐射有利地以确定的角度投到侧面耦合输出锥形面上。
在本发明的光发射光电子元件的一种优选的扩展结构中，光波引导层被安置在两个高发射性的平面平行光反射器层中间，这些反射器层在光发射半导体本体的情况下首先构成为布拉格反射器。这种类型的结构例如从具有垂直谐振腔的激光二极管中已知，在这种二极管中往往用外延的布拉格镜面作为谐振器镜面(请参阅W.Bludau(如上所述)，第188和189页)。
这种实施结构的主要优点在于产生光的区域，例如产生光的pn结，被安置在两个高反射性的平行平面反射镜面之间，它们构成一个低损耗平面型光波导。因此波导内的光损耗得以有利地明显降低。例如用外延的布拉格反射镜按常规可以实现超过99％的反射系数。通过波导厚度的适当选择也可以显著降低波导中的吸收损耗。
在光发射光电子元件的一种特别优选的实施结构中，产生光的本体是一种在其中的光产生区具有单量子阱或多量子阱结构的半导体本体。这类结构实际上在光半导体技术中同样是已知的(参阅W.Bludau(如上所述)，第182至187页)并因而在此不再进一步说明。
特别有利的是压应力量子阱，这种量子阱最佳的与通过两个反射器层，优先为布拉格反射器，形成的平面型波导的TE模式相耦合。量子阱优先安置在当元件运行时形成的垂直于平面型光波导光波传播方向的驻波场的波节附近。借此有利的是在光产生区内产生的电磁辐射的发射优先在侧向，也就是平行于波导。
在本发明元件的另一优选扩展结构中光产生本体具有一种主要为圆柱形的对称结构，在此其对称轴基本上垂直于平面型光波导安置。光产生区优选是这样设置的，使得光子的产生在圆柱形对称结构的轴附近实现。
在波导中向外传播的辐射模式通过耦合输出锥形面几乎无损耗地转换为空间波，并从而导致从光产生本体的最佳光耦合输出。
在另一个特别优选的实施结构中，耦合输出锥形面与平面型光波导中光的传播方向优先形成约1°至30°的角。为了进一步改善电磁辐射通过耦合输出锥形面的耦合输出，有利的是为此锥形面配置一个抗反射层。
除此之外，在一个有利的扩展结构中，平面型光波导的整个侧面被构成为耦合输出锥形面。
根据本发明的光产生本体可以有利地装入常规的LED外壳中，例如径向LED外壳，用于侧向或向上发射的LEDs的SMD外壳或SOT外壳，在这些外壳中，它们被灌注在塑料中。然而可以想象，也可以使用任何其它LED外壳结构。
由下面结合附图1至3所述实施例得到本发明光电子元件的其它实施形式和扩展结构。这些附图是：
图1一个实施例的垂直截面示意图，
图2另一个实施例的正视示意图，和
图3图2实施例的侧视示意图。
在附图中相同的和作用相同的组成部分各用相同的参考符号标明。
在图1的实施例中涉及的是一种垂直渐变的发光二极管，在此二极管中，在一个例如由n型掺杂的GaAs构成的衬底10的第一主表面11上安置一个第一布拉格反射器层1，例如由约20个n型掺杂的各厚约150nm的AlAs/GaAs层对组成。这类布拉格反射器及其作用原理和其制造方法，在光半导体技术中是已知的，因而在此不再详述。
在第一布拉格反射器层1上安置一个光波引导层3，此层由面向第一布拉格反射器层1的下层部分19，例如由n型掺杂的AlGaAs(例如具有n≈5×1017cm-3的Al0.2Ga0.8As)和由远离第一布拉格反射器层1的上层部分20，例如由p型掺杂的AlGaAs(例如具有p≈5×1017cm-3的Al0.2Ga0.8As)组成并例如总计约为3μm厚。在光波引导层3的上层部分20和下层部分19之间有一个未掺杂的复合区4，此区例如由具有约10nm厚的GaAs势垒的3个约8nm厚的In0.2Ga0.8As量子阱组成。
在光波引导层3上方安置一第二布拉格反射器层2，此层例如由约20个由p型掺杂的Al0.9Ga0.1As/GaAs层对组成的镜面对制成，并且作为最下层，即作为紧靠光波引导层3的层，包含一个约30nm厚的AlxGa1-xAs层(0.97≤x≤1)用于横向氧化形成一AlxOy层。P型掺杂的布拉格反射器层2的最下层不是整个表面都氧化成AlxOy的，而是在中间区域有一个未氧化区13。这个局部氧化的AlGaAs层12，在元件工作时导致半导体本体9中横向的电流收缩。然而这种收缩也可以如此来实现，即半导体本体9的某些区域借助离子注入或横向注入制成为导电的或电绝缘的。
第二布拉格反射器层2的最上层，即位于离光波引导层3最远的层，例如是一个高掺杂的p型GaAs接触层，在此层上安置一个TiPtAu接触14。作为第二电接触16的是在位于与衬底10的第一主面11相对的第二主面15的整个面上安置一个n型接触，例如由AuGeNi组成。这两个布拉格反射器层1，2例如是按已知的方式调制掺杂的，以便实现光产生区4的内部pn结与外部电接触14，16的低欧姆结合，并具有例如渐变的异质结。
光波引导层3的包括布拉格反射器层1，2在内的侧面5，以对布拉格反射器层1，2的镜面和从而对平面型光波导7为α的角度被倾斜抛光，光波导层7由第一和第二布拉格反射器层1，2及光波引导层3组成。从而这种侧面为在光波引导层中沿光传播方向18向外传播的光子起到垂直横向耦合输出锥形面的作用。角度α优先约在1°和30°之间。在倾斜的侧面5上配置抗反射层8。
对根据图1的实施例的垂直横向锥形结构的另一种可能选择是也可以采用水平横向锥形结构。用于此种结构的一个实施例在图2和图3中的正视图和侧视图中示出。在有关层的序列方面，这个实施例与图1的实施例完全相同。
但是在这里光波引导层3的包括两个镜面层的侧面5对布拉格反射器层1，2不是倾斜构成的。取而代之的是波导7具有垂直于布拉格反射器层1，2的由侧面向半导体本体9中心方向延伸的楔形切口21，其张角例如可达20°并且横向的楔形深度可达100μm。波导层7的侧面在这里也可以配置抗反射层8。
元件的典型直径在100和300μm之间。P型接触的直径在50和100μm之间，锥形面区域在25和100μm之间变化。用平面型光波导的厚度可以调整剩余吸收，此种吸收随层厚的平方下降。布拉格反射镜的厚度对所介绍的实例均约为3μm。
所述层序列的制造可以用例如分子束外延法进行。P型掺杂可以用例如碳，n型掺杂可以用硅。这种制造例如同样可以用金属有机气相外延法。锥形结构可以例如用干法刻蚀实现，AlxGa1-xAs层的横向氧化可以在约400℃下在水蒸气中进行。
如上所述，既可以用星形水平横向耦合输出锥形面，也可以用简单的楔形垂直横向耦合输出锥形面，但也可以用各种其它的适当形状的耦合输出锥形面。
当然对已简述的实施例其它可另选择的结构，例如非圆柱形对称几何形状是可能的。镜面的如用金属层的可另选择的结构也可以应用。同样用于电流收缩的其它措施例如可以采用离子注入或反向偏置的pn二极管。本结构也不限制在实施例中所述的材料系统，而是也可以例如在材料系统在GaAs衬底上的InAlGaP或在InP衬底上的InGaAsP或在SiC或蓝宝石衬底上的InAlGaN中实现。除此之外所建议的结果也可以在II-VI半导体系统或有机光发射元件中实现。
Claims (12)
1.发射非相干光的光电子元件，其中：
-在一个光产生本体(9)内设置一具有一安置在两个反射器层(1，2)之间的光波引导层(3)和一波传播方向(18)的平面型光波导(7)，
-光波引导层(3)具有一光产生区(4)，在该区内在元件工作时产生电磁辐射，
-半导体本体(9)具有一装置(12，13)用于在半导体本体内横向的电流收缩，并且
-光波引导层(3)为了光的耦合输出具有至少一个对平面型光波导(7)中的波传播方向(18)呈倾斜位置的外侧面(6)。
2.根据权利要求1的发射非相干光的光电子元件，其中光波引导层(3)的侧面包括两个反射器层(1，2)的侧面在内构成一共同的对波传播层呈倾斜位置的侧面(6)。
3.根据权利要求1或2的发射非相干光的光电子元件，其中两个反射器层(1，2)各自构成为布拉格反射器。
4.根据权利要求1或2的发射非相干光的光电子元件，其中在平面型光波导(7)中的波传播方向(18)与对它呈倾斜位置的外侧面(6)构成一在1°和30°之间范围的角度。
5.根据权利要求3的发射非相干光的光电子元件，其中在平面型光波导(7)中的波传播方向(18)与对它呈倾斜位置的外侧面(6)构成一在1°和30°之间范围的角度。
6.根据权利要求1或2的发射非相干光的光电子元件，其中光产生本体(9)是一种半导体本体，其中光产生区(4)具有一单量子阱结构或一多量子阱结构。
7.根据权利要求3的发射非相干光的光电子元件，其中光产生本体(9)是一种半导体本体，其中光产生区(4)具有一单量子阱结构或一多量子阱结构。
8.根据权利要求5的发射非相干光的光电子元件，其中单量子阱以及多量子阱结构是由压应力量子阱制成的。
9.根据权利要求6的发射非相干光的光电子元件，其中量子阱被安置在一个在元件工作时在波导(7)的垂直方向形成的驻波场的节点附近。
10.根据权利要求1或2的发射非相干光的光电子元件，其中光波导(7)被构成为垂直横向耦合输出锥形面(6)。
11.根据权利要求1或2的发射非相干光的光电子元件，其中光波导(7)被构成为水平横向耦合输出锥形面。
12.根据权利要求1或2的发射非相干光的光电子元件，其中至少在平面型光波导(7)中的波传播方向(18)呈倾斜位置的外侧面(6)配置一抗反射层(8)。
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