Aus
DE 24 16 098 A1 ist
eine optische Halbleiterstrahlungsquelle mit einem Substrat und
einer strahlungserzeugenden Halbleiterschicht bekannt, bei der das
Substrat auf der von der Halbleiterschicht abgewandten Seite nach
Art eines Domes zugespitzt geformt ist. Das Substrat weist eine
zur Halbleiterschicht senkrechte Seitenfläche auf, die in eine schräg zur Halbleiterschicht
verlaufende Seitenfläche übergeht,
wobei die strahlungserzeugende Zone von der senkrechten Seitenfläche lateral
beabstandet ist.
Eine
vorteilhafte Form eines Fensters ist im Längsschnitt schematisch in 7 dargestellt.
Bei
dem gezeigten Bauelement ist auf einer Hauptfläche 2 eines Fensters 1 eine
Mehrschichtstruktur 3 aufgebracht, die eine strahlungserzeugende
aktive Schicht 4 umfaßt.
Die in der aktiven Schicht 4 erzeugte und in Richtung des
Fensters 1 emittierte Strahlung ist beispielhaft dargestellt
durch die Strahlen 5a, 5b und 5c. Diese
Strahlen treten durch die Hauptfläche 2 in das Fenster 1 ein,
durchlaufen einen Teil des Fensters 1 und treffen schließlich auf
eine Begrenzungsfläche
des Fensters 1 auf. Je nach Einfallswinkel auf die Begrenzungsfläche wird
ein Strahl ausgekoppelt, vgl. Strahl 5b, oder totalreflektiert,
vgl. Strahl 5a und 5c. Totalreflexion tritt auf,
wenn der Einfallswinkel, bezogen auf die Flä chennormale der Begrenzungsfläche, größer als
der Totalreflexionswinkel ist.
Bei
dem gezeigten Bauelement wird das Fenster von Seitenflächen 7 begrenzt,
die jeweils eine zur Haupfläche 2 schräg verlaufende
Teilfläche 9 aufweisen.
Durch die Schrägstellung
wird der Einfallswinkel für
die auf die Teilfläche 9 auftreffenden Strahlen 5b erniedrigt,
der Anteil der totalreflektierten Strahlung somit reduziert und
insgesamt die Strahlungsausbeute deutlich erhöht.
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein strahlungsemittierendes
Bauelement der eingangs genannten Art mit weiter verbesserter Strahlungsausbeute
zu schaffen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Bauelement
mit hoher Auskoppeleffizienz anzugeben. Diese Aufgabe wird durch
ein Bauelement gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der
Erfindung liegt die Idee zu Grunde, bei einem Bauelement der genannten
Art die Strahlungserzeugung auf Bereiche zu begrenzen, denen aufgrund
der Formgebung des Fensters eine besonders hohe Strahlungsauskoppelung
zukommt.
Eine
solche räumlich
begrenzte Strahlungserzeugung kann dadurch realisiert werden, daß die aktive
Schicht nur in den genannten Bereichen mit hoher Strahlungsauskopplung
ausgebildet ist. Weiterhin kann die aktive Schicht sich auch über größere Bereiche
erstrecken, wobei aufgrund zusätzlicher Mittel,
beispielsweise einer räumlich
begrenzten Einprägung
eines Betriebsstroms, die Strahlungserzeugung nur in Teilbereichen
der aktiven Schicht stattfindet. Im folgenden werden die im Betrieb
strahlungsemittierenden Bereiche der aktiven Schicht als "strahlungsemittierende
Fläche" bezeichnet. Die
aktive Schicht ist hingegen die innerhalb der Mehrschichtstruktur
ausgebildete Schicht, die grundsätzlich
zur Strahlungserzeugung geeignet ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
ein strahlungsemittierendes Bauelement mit einer Mehrschichtstruktur,
die eine aktive Schicht mit einer strahlungserzeugenden Fläche aufweist,
und einem strahlungsdurchlässigen
Fenster mit einer Hauptfläche,
auf der die Mehrschichtstruktur angeordnet ist, zu bilden. Das Fenster
wird von einer Seitenfläche mit
einer ersten, zur Hauptfläche
senkrecht angeordneten Teilfläche
und einer zweiten, zur Hauptfläche schräg verlaufenden,
gekrümmten
oder gestuften Teilfläche
begrenzt, wobei die erste Teilfläche
in einem Abstand d von der Hauptfläche in die zweite Teilfläche übergeht.
Die strahlungserzeugende Fläche weist
eine laterale Begrenzung auf, die von einer von der zur Hauptfläche senkrecht
angeordneten ersten Teilfläche
und der Hauptfläche
gebildeten Kante in einem Abstand l angeordnet ist, für den gilt
Dabei
bezeichnet n1 den Brechungsindex der Mehrschichtstruktur
und n2 den Brechungsindex des Fensters,
der größer ist
als der Brechungsindex n1 der Mehrschichtstruktur.
Durch
diese Beabstandung der strahlungsemittierenden Fläche von
der entsprechenden Kante des Fensters wird der Anteil der Strahlung,
der auf die erste, zur Hauptfläche
senkrechte Teilfläche
auftrifft, zugunsten des Anteils, der auf die zweite, zur Hauptfläche schräg angeordnete
Teilfläche
fällt,
erniedrigt und somit die Strahlungsauskopplung erhöht.
Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung schließt sich
an die zweite, zur Hauptfläche schräg verlaufende,
gestufte oder gekrümmte
Teilfläche
der Seitenfläche
eine dritte, zur Hauptfläche senkrecht
angeordnete Teilfläche
an. Damit kann auf der von der Mehrschichtstruktur abgewandeten
Seite des Bauelementes ein Sockel mit zueinander orthogonalen Seitenflächen gebildet
werden, der hinsichtlich der Montage des Bauelementes vorteilhaft
ist. Viele bestehende, insbesondere automatische Bestückungsvorrichtungen
sind für
solche Fensterformen mit orthogonalen Seitfenflächen ausgelegt und können vorteilhafterweise
bei dieser Ausführungsform
der Erfindung zum Teil weiterverwendet werden.
Vorzugsweise
ist die strahlungserzeugende Fläche
in einem Bereich ausgespart, der senkrecht auf die Hauptfläche gesehen
mit dem Fenstersockel überlappt,
so daß in
diesem Bereich keine Strahlung erzeugt wird. Strahlung, die hier
generiert würde, würde im wesentlichen
in Richtung des Fenstersockels emittiert und dort in deutlich geringerem
Maße ausgekoppelt
als an der zweiten, schrägstehenden Teilfläche der
Seitenfläche.
Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Fenster
einen lateralen Querschnitt in Form eines Rechtecks, eines Quadrats
oder eines Dreiecks auf. Unter einem lateralen Querschnitt ist hierbei
ein Querschnitt mit einer Schnittebene parallel zur Hauptfläche zu verstehen.
Weiter
bevorzugt wird das Fenster von einer der ersten Hauptfläche gegenüberliegenden
und zur ersten Hauptfläche
parallelen zweiten Hauptfläche begrenzt.
Diese Formgebung ist insbesondere hinsichtlich der Herstellung des
Fensters aus einem größeren flächigen Substrat
durch Sägen
oder Brechen vorteilhaft.
Die
strahlungserzeugende Fläche
kann bei der Erfindung eine Mehrzahl von Strahlungsteilflächen umfassen.
Die Strahlungsteilflächen
sind vorzugsweise in den Bereichen der aktiven Schicht angeordnet,
denen eine hohe Auskopplung zukommt, wobei die Bereiche zwischen
den einzelnen Strahlungsteilflächen
mit einer geringeren Auskopplung ausgespart sind. Vorzugsweise werden
die Strahlungsteilflächen
von zwei oder mehr der genannten Begrenzungen eingefaßt und zeichnen
sich somit durch eine besonders hohe Auskopplung der erzeugten Strahlung
aus.
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Fenster
zwei gegenüberliegende Seitenflächen mit
jeweils einer ersten, zur Hauptfläche senkrechten Teilfläche auf,
die jeweils in eine zweite, zur Hauptfläche schräg verlaufende, gestufte oder
gekrümmte
Teilfläche übergeht.
Durch diese Mehrzahl von schrägen
Teilflächen
wird die Auskoppelung vorteilhaft weiter erhöht. Weitergehend kann das Fenster
auch allseitig von Seitenflächen
mit einer ersten, senkrecht zur Hauptfläche angeordneten Teilfläche und
eine zweiten, zur Hauptfläche
schräg
verlaufenden, gestuften oder gekrümmten Teilfläche lateral
begrenzt sein.
Vorzugsweise
ist bei der Erfindung auf der Mehrschichtstruktur eine Kontaktfläche angeordnet. Eine
korrespondierende Gegenkontaktfläche
kann beispielsweise auf der der Mehrschichtstruktur abgewandten
Seite des Fensters aufgebracht sein. Diese Kontaktflächen dienen
der elektrischen Versorgung des Bauelements.
Zur
Ausbildung einer begrenzt strahlungsemittierenden Fläche in der
aktiven Schicht kann die auf der Mehrschichtstruktur angeordnete
Kontaktfläche
entsprechend der Form der strahlungsemittierenden Fläche strukturiert
sein. Bei einem Stromfluß, der
im wesentlichen senkrecht zur Hauptfläche verläuft, wird ein Strom in die
Bereiche der aktiven Schicht eingeleiten, die in der Aufsicht von
der Kontaktfläche
bedeckt sind. In der Folge wird nur in den stromdurchflossenen Bereichen
der aktiven Schicht Strahlung erzeugt. Somit wird vermittels eines
elektrischen Stroms die Kontaktfläche gleichsam auf die aktive
Schicht projiziert.
Vorteilhafterweise
kann in diesem Fall die aktive Schicht lateral homogen ausgebildet
werden. Dies erleichtert die Herstellung der Mehrschichtstruktur,
da keine Strukturierung der aktiven Schicht nötig ist. Die Strukturierung
einer Kontaktfläche
erfordert in der Regel einen vergleichsweise geringen Aufwand. So
kann die Kontaktfläche
beispielsweise zunächst lateral
homogen aufgedampft und nachfolgend durch Ätzen oder Rücksputtern strukturiert werden.
Alternativ
oder kumulativ kann die Mehrschichtstruktur seitliche, zur Hauptfläche im wesentlichen
senkrechte Randflächen
aufweisen, die zugleich die Begrenzung der strahlungserzeugenden Fläche bilden.
Die dazu erforderliche Strukturierung der Mehrschichtstruktur kann
beispielsweise durch Ätzen
erfolgen.
Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfaßt die Mehrschichtstruktur
einen strahlungserzeugenden pn-Übergang,
der von mindestens einer p-leitenden und mindestens einer n-leitenden
Schicht gebildet ist. Das Bauelement kann so als Lumineszenzdiode,
beispielsweise als LED, ausgebildet sein. Unter einem pn-Übergang
ist dabei neben einem Übergang,
der durch unmittelbaren Kontakt der p-leitenden und der n-leitenden Schicht
gebildet ist, auch ein Übergang
zu verstehen, bei dem die p-leitende Schicht nicht unmittelbar an
die n-leitende Schicht grenzt, wie dies beispielsweise bei Quantentopfstrukturen
der Fall ist.
Die
Begrenzung der strahlungsemittierenden Fläche kann dabei dadurch erzeugt
werden, daß in den
Bereichen, in denen keine Strahlung erzeugt werden soll, die p-leitende
oder die n-leitende Schicht abgetragen wird, so daß dort kein
strahlungserzeugender pn-Übergang
gebildet wird. Die Abtragung kann beispielsweise durch Ätzen erfolgen.
Eine
weitere Möglichkeit
der Begrenzung besteht darin, die p-Leitung oder die n-Leitung bereichsweise
zu kompensieren, so daß ebenfalls
in den Bereichen der aktiven Schicht, in denen keine Strahlung erzeugt
werden soll, kein pn-Übergang
vorhanden ist. Eine Kompensation der Leitfähigkeit wird beispiels weise
durch Einbringung von Partikeln des entgegengesetzten Leitungstyps
erreicht.
Die
Mehrschichtstruktur enthält
bei der Erfindung vorzugsweise GaN-basierende Halbleiterverbindungen.
Darunter sind insbesondere GaN, AlGaN, InGaN und AlInGaN zu verstehen.
Derartige Verbindungen zeichnen sich durch eine hohe Quanteneffizienz
aus und ermöglichen
insbesondere auf Grund ihrer vergleichsweise großen Bandlücke die Erzeugung von Strahlung
im grünen,
blauen und ultravioletten Spektralbereich.
Eine
GaN-basierende Mehrschichtstruktur wird vorzugsweise epitaktisch
hergestellt. Als Epitaxiesubstrat sind beispielsweise SiC-Substrate
oder GaN-Substrate geeignet. Auch Saphirsubstrate können verwendet
werden. Bei der Erfindung kann mit Vorteil das Fenster aus dem Epitaxiesubstrat
gefertigt sein. Hierbei zeichnet sich ein SiC-Fenster neben seiner
Strahlungsdurchlässigkeit
für die
erzeugte Strahlung durch seine elektrische Leitfähigkeit aus, die die Ausbildung
eines vertikal leitfähigen
Bauelementes ermöglicht.
Vertikal leitfähige
Bauelemente sind vergleichsweise einfach zu kontaktieren und ermöglichen
eine homogene Stromverteilung im dem Bauelement.
Weitere
Merkmale, Vorzüge
und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung werden nachfolgend anhand von elf Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den 1 bis 6 erläutert.
Es
zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines
ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Bauelements,
2 eine schematische perspektivische Schnittdarstellung
eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Bauelements,
3a bis 3f jeweils
eine schematische Aufsicht auf sechs weitere Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Bauelemente,
4 eine schematische perspektivische Darstellung
eines neunten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Bauelements,
5a den Auskoppelgrad eines zehnten, in 5b schematisch in der Aufsicht und in 5c schematisch im Schnitt gezeigten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Bauelements
in Abhängigkeit
einer Abmessung der strahlungserzeugenden Fläche und
6 den Auskoppelgrad eines
elften Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Bauelements
in Abhängigkeit
einer Abmessung der strahlungserzeugenden Fläche.
Gleiche
oder gleichwirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen
versehen.
Das
in 1 im Schnitt dargestellte
Bauelement umfaßt
ein Fenster 1 mit einer Hauptfläche 2, auf der eine
Mehrschichtstruktur 3 angeordnet ist. Die Mehrschichtstruktur 3 beinhaltet
eine strahlungserzeugende aktive Schicht 4 und ist auf
der von dem Fenster 1 abgewandten Seite mit einer Kontaktfläche 6 versehen.
Der Kontaktfläche 6 gegenüberliegend ist
auf dem Fenster, das aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise
SiC besteht, eine Gegenkontaktfläche 20 aufgebracht.
Eine
zwischen der Hauptfläche 2 und
der gegenüberliegenden
Seite des Fensters verlaufende Seitenfläche 7 weist eine erste
Teilfläche 8 auf,
die zu der Hauptfläche 2 senkrecht
angeordnet ist. An diese erste Teilfläche 8 schließt sich
eine zweite, zur Hauptfläche 2 schräg verlaufende
Teilfläche 9 und an
diese wiederum eine zur Hauptfläche 2 senkrechte
Teilfläche 10 an.
Wie 1 unmittelbar zu entnehmen
ist, ist für
einen von der aktiven Schicht 4 in Richtung der Seitenfläche 7 emittierten
Lichtstrahl 5 der Einfallswinkel beim Auftreffen auf die
Seitenfläche 7 im
Bereich der schrägen,
zweiten Teilfläche 9 geringer
als bei einem Auftreffen auf die zur Hauptfläche 2 senkrechten
Teilflächen 8 oder 10.
Somit kommt der schräg
zur Hauptfläche 2 verlaufenden
Teilfläche 9 eine
höhere
Auskopplung zu. Insbesondere wird im Bereich der Teilfläche 9 die
Totalreflexion der erzeugten Strahlung an der Seitenfläche stärker gemindert als
an den angrenzenden Teilflächen 8 und 10.
Die
Mehrschichtstruktur
2 ist lateral so begrenzt, daß ein hinsichtlich
der Auskopplung ungünstiges
Auftreffen der erzeugten Strahlung auf die senkrechte Teilfläche
8 vermieden
wird. Dazu ist die Mehrschichtstruktur
2, deren Brechungsindex
n
1 kleiner ist als der Brechungsindex des
Fensters n
2, von der Kante
12,
die von der Hauptfläche
und der senkrechten ersten Teilfläche
8 gebildet wird,
beabstandet. Der Abstand l zwischen der seitlichen Randfläche
13 der
Mehrschichtstruktur und der Kante
12 hängt von dem Abstand zwischen
der Hauptfläche
2 und
dem Übergang
14 der
ersten, senkrechten Teilfläche
8 zur zweiten,
schrägen
Teilfläche
9 ab,
wobei gilt
Diese
Bedingung wird im folgenden als Auskoppelbedingung bezeichnet. Sie
ergibt sich aus folgendem Zusammenhang:
Ein von einem Leuchtpunkt
15a in
der aktiven Schicht
4 ausgehender Lichtstrahl
5 wird
beim Eintritt in das Fenster
1, der einen Übergang
in ein optisch dichteres Medium darstellt, in Richtung des Lots
16a der Hauptfläche
2 gebrochen.
Der Winkel α zwischen dem
Lot
16a und dem Lichtstrahl
5 ist kleiner als
der kritische Winkel θ
c. Der kritische Winkel θ
c entspricht dem
Grenzwinkel der Totalreflexion für
den umgekehrten Übergang
vom Fenster in die Mehrschichtstruktur und ist gegeben durch
Ein
von einem Leuchtpunkt 15b ausgehendes Strahlenbündel wird
daher im Substrat in einen Strahlenkegel 11 mit einem Öffnungswinkel
2θc abgebildet. Der den Strahlenkegel 11 seitlich
begrenzende Randstrahl 18 schließt mit dem Lot 16b einen Winkel θc ein.
Die
strahlungsemittierende Fläche
in der aktiven Schicht ist nun so begrenzt, daß keine Strahlung aus diesem
Strahlenkegel 11 unmittelbar auf die bezüglich der
Auskoppelung ungünstige
Teilfläche 8 auftrifft.
Diese Bedingung ist erfüllt,
wenn, wie in 1 anhand
des Leuchtpunktes 15b dargestellt, der Leuchtpunkt 15b mindestens
so weit von der Kante 12 beabstandet ist, daß der der
Seitenfläche 7 zugewandte
Randstrahl 18 des Strahlenkegels 11 auf den Übergang 14 zwischen
senkrechter Teilfläche 8 und
schräger
Teilfläche 9 auftrifft.
Ist der Abstand zwischen dem Leuchtpunkt 15b und Kante 12 geringer,
so trifft ein Teil der von dem Leuchtpunkt ausgehenden Strahlung
auf die Teilfläche 8 auf.
Für den dargestellten
Grenzfall, bei dem der Randstrahl
18 auf den Übergang
14 trifft,
ergibt sich der Zusammenhang
woraus für den Abstand der Begrenzung
der strahlungsemittierenden Fläche
zu der von der Teilfläche
8 und
der Hauptfläche
2 gebildeten
Kante
12 die Auskoppelbedingung
folgt.
Es
sei angemerkt, daß bei
obiger Betrachtung der Verlauf der Strahlen in dem Bereich der Mehrschichtstruktur
zwischen der aktiven Schicht 4 und der Hauptfläche 2 vernachlässigt wurde,
d. h. es wurde angenommen, daß dieser
Bereich der Mehrschichtstruktur verschwindend dünn ist. Daher gilt obige Betrachtung
nur näherungsweise
und ist für Bauelemente
mit einer Mehrschichtstruktur, deren Dicke deutlich kleiner ist
als der Abstand d, gut erfüllt.
In 2 ist eine Weiterbildung
des vorangehenden Ausführungsbeispiels
gezeigt. Die strahlungsemittierende Fläche weist hier eine erste Begrenzung
durch die seitlichen Randflächen 13a der Mehrschichtstruktur
auf, die in einem Abstand l von der Kante 12 angeordnet
ist, der die Auskoppelbedingung erfüllt.
Ferner
ist die strahlungsemittierende Fläche durch eine weitere Randfläche 13b der
Mehrschichtstruktur 3 zur Mittelachse 21 des Chips
hin begrenzt, so daß die
strahlungsemittierende Fläche
in einem Bereich, der in Richtung der Mittelachse über dem
Fenstersockel liegt, ausgespart ist. Strahlung, die in diesem Bereich
erzeugt würde,
würde im
wesentlichen in Richtung des Fenstersockels und nicht auf die Schrägflächen 9 abgestrahlt.
Da die der Mehrschichtstruktur gegenüberliegende Seite des Fensters
zudem als Montagefläche
dienen kann, wird nur ein geringer Teil der im Bereich des Fenstersockels auftreffenden
Strahlung ausgekoppelt. Hinsichtlich eines hohen Auskopplungsgrads
ist es somit vorteilhaft, die Strahlungserzeugung auf die Randbereiche der
Mehrschichtstruktur zu beschränken.
Für die Begrenzung
der strahlungsemittierenden Fläche
zur Mittelachse
21 hin ergibt sich eine zur Auskoppelbedingung
analoge Beziehung. Hierbei wird die Kante
12 durch die
Schnittlinie
19 ersetzt, die durch den Schnitt der Hauptebene
2 mit
der dritten Teilfläche
10 bzw.
deren Verlängerung
in Richtung der Hauptebene
2 festgelegt ist. An die Stelle des
Abstands d tritt der Abstand b des Übergangs
17 zwischen
der zweiten Teilfläche
9 und
der dritten Teilfläche
10 von
der Hauptfläche
2.
Der von der Begrenzung der strahlungsemittierenden Fläche ausgehende
Strahl
23 entspricht dem Randstrahl
18 und verläuft parallel
zu diesem (die zu den Randstrahlen
18 und
23 gehörenden Strahlenkegel
sind der Übersichtlichkeit
halber nicht dargestellt). Vorzugsweise erfüllt der Abstand s der Begrenzung
13b der
strahlungsemittierenden Fläche
von der Schnittlinie
19 die Beziehung
Durch
diese Bedingung ist gewährleistet, daß zumindest
ein Teil der erzeugten Strahlung auf die schräge Teilfläche 9 trifft.
Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die strahlungsemittierende Fläche in Form zweier Streifen 22a, 22b ausgebildet
ist, die parallel zu der jeweils von der Hauptfläche 2 und der ersten,
zur Hauptfläche 2 senkrechten
Teilfläche 8 gebildeten Kante 12 des
Fensters verlaufen. Vorzugsweise ist das Bauelement symmetrisch
zur Mittelachse 21 ausgeführt.
In 3a bis 3f sind
in der Aufsicht sechs Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt. Die Ausführungsbeispiele unterscheiden
sich in der Form der strahlungsemittierenden Fläche, die jeweils schraffiert
dargestellt ist. Die zugehörigen Fenster
weisen im Längsschnitt
eine 2 entsprechende
Form auf und sind allseitig von Seitenflächen begrenzt, die eine zur
Hauptfläche 2 senkrechte
erste Teilflä che
und eine zweite, zur Hauptfläche 2 schräg verlaufende
Teilfläche
aufweisen. Für
die Ausführungsbeispiele
gemäß 3a bis 3c entspricht
das Fenster im wesentlichen der in 4 perspektivisch dargestellte
Form.
Wie
im Zusammenhang mit 2 erläutert wurde,
ist es vorteilhaft, die strahlungsemittierende Fläche als
Streifen auszubilden, der parallel zu einer von der ersten Teilfläche und
der Hauptfläche
gebildeten Kante 12 angeordnet ist. Bei dem dritten, vierten
und fünften
Ausführungsbeispiel,
entsprechend 3a, 3b und 3c ergeben sich hieraus vier Streifen 22,
die jeweils parallel und beabstandet zu einer Kante 12 des
Fensters verlaufen.
Bei
der in 3a gezeigten Form der strahlungsemittierenden
Fläche
sind diese Streifen 22 zu einem Rahmen verbunden, der allseitig
zu der nächstliegenden
Fensterkante 12 einen Abstand l aufweist, der die Auskoppelbedingung
erfüllt.
Im
Unterschied dazu sind bei dem Ausführungsbeispiel in 3b nur die Bereiche, in denen sich die
Streifen 22 überlappen,
als strahlungsemittierende Flächen
ausgeführt.
Diesen Überlappbereichen
kommt aufgrund ihrer Nähe
zu jeweils zwei schrägstehenden
Teilflächen
eine besonders hohe Auskopplung zu. Die strahlungsemittierenden
Flächen
sind wiederum von den Kanten 12 des Fensters 1 beabstandet,
wobei der Abstand l die Auskoppelbedingung erfüllt.
Das
in 3c dargestellte Ausführungsbeispiel
stellt eine Kombination der in 3a und 3b gezeigten Formen der strahlungsemittierenden
Fläche dar.
Dabei sind die Überlappbereiche
der Streifen 22 wie bei dem in 3b dargestellten
Ausführungsbeispiel
als strahlungsemittierende Fläche
ausgebildet, wobei zusätzlich
schmälere
Streifen der strahlunsemittiernden Fläche diese Überlappbereiche verbinden.
Durch die stärkere
Betonung der Überlappbereiche
wird der diesen Bereichen zukommenden höheren Auskopplung Rechnung
getragen.
Die
Ausführungsbeispiele
gemäß 3d bis 3f entsprechen
den in 3a bis 3c gezeigten
Ausführungsbeispielen
mit dem Unterschied, daß hier das
Fenster einen dreieckigen lateralen Querschnitt aufweist. Dieser
dreieckige Querschnitt führt
zu einer weiteren Reduktion der Totalreflexion im Fenster, so daß die Strahlungsausbeute
zusätzlich
erhöht
wird.
Bevorzugt
ist hier ein lateraler Querschnitt in Form eines gleichseitigen
Dreiecks, wie er beispielsweise in 3d dargestellt
ist, oder eines rechtwinkligen Dreiecks gemäß 3e.
Den vier Streifen 22 in den 3a, 3b und 3c entsprechen
in 3d drei Streifen, die wiederum
in einem Abstand l, der die Auskoppelbedingung erfüllt, parallel
zu jeweils einer Kante 12 des Fensters verlaufen.
In 3e setzt sich die strahlungsemittierende
Fläche ähnlich wie
in 3b aus Teilstrahlungsflächen zusammen,
die jeweils in der Nähe
einer Ecke des Fensters angeordnet sind. Diese Teilstrahlungsflächen werden
von je zwei Begrenzungen eingefaßt, die zur nächstliegenden
Fensterkante 12 in einem Abstand l angeordnet sind, der
die Auskoppelbedingung erfüllt.
Das Ausführungsbeispiel
gemäß 3f stellt ähnlich wie 3c eine
Kombination der Ausführungsbeispiele
gemäß der 3d und 3e dar, wobei
die Teilstahlungsflächen
durch schmälere strahlungsemittierende
Streifen verbunden sind. Der Abstand l dieser Streifen zur nächstliegenden
Fensterkante 12 erfüllt
ebenfalls die Auskoppelbedingung.
Wie
bereits mehrfach beschrieben ist für die Erfindung insbesondere
die Anordnung und Formgebung der strahlungserzeugenden Fläche maßgeblich.
Diese Form kann durch den lateralen Querschnitt der Mehrschichtstruktur
festgelegt werden. Dazu wird beispielsweise die Mehrschichtstruktur
zunächst über der
gesamten Hauptfläche
des Fensters aufgebracht. Nachfolgend werden die Bereiche selektiv
entfernt, in denen keine Strahlung erzeugt werden soll. Die selektive
Entfernung kann beispielsweise durch Ätzen erfolgen. Diese Art der
Formung der strahlungsemittierenden Fläche hat den Vorteil, daß die Form
der strahlungsemittierenden Fläche
weitgehend frei wählbar
ist, indem beispielsweise eine entsprechende Ätzmaske verwendet wird.
Eine
weitere Möglichkeit
zur Begrenzung der strahlungsemittierenden Fläche besteht darin, den Strom
so einzuprägen,
daß nur
diejenigen Anteile der aktiven Schicht, die zu der strahlungserzeugenden Fläche gehören, bestromt
werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß eine auf der
Mehrschichtstruktur aufgebrachte Kontaktfläche in Form der strahlungserzeugenden
Fläche
ausgebildet wird. Der Stromfluß erfolgt
dabei im wesentlichen vertikal, d. h. senkrecht zur Schichtebene
der Mehrschichtstruktur und bildet so die Kontaktfläche auf
die aktive Schicht ab.
Eine
weitere Möglichkeit
der lateral begrenzten Stromeinleitung in die aktive Schicht besteht
darin, die Mehrschichtstruktur an den Stellen, an denen keine Strahlung
erzeugt werden soll, elektrisch zu isolieren. Dazu kann beispielsweise
eine entsprechend geformte Maske aus einem elektrisch isolierenden
Material auf die Mehrschichtstruktur aufgebracht und mit einer Kontaktmetallisierung
bedeckt werden.
Weiterhin
kann auch ein Teil der Mehrschichtstruktur in ein elektrisch isolierendes
Material umgewandelt werden. Diese Variante ist insbesondere für eine Mehrschichtstruktur
geeignet, die eine p-leitende und eine n-leitende Schicht zur Ausbildung eines
strahlungserzeugenden pn-Übergangs
umfaßt. Die
elektrische Leitfähigkeit
solcher Schichten kann durch Einbringung von Partikeln des jeweils
entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps
kompensiert und damit erniedrigt werden. So kann beispielsweise
die Mehrschichtstruktur einen pn-Übergang aufweisen, wobei die
p-Leitung an den Stellen, die nicht der strahlungsemittierenden
Fläche
entsprechen und an denen daher keine Strahlung erzeugt werden soll, zerstört ist.
Eine
weitere Möglichkeit
der Begrenzung der aktiven Fläche
vermittels eines lateral begrenzt ausgebildeten pn-Übergangs
besteht darin, die p-leitende oder n-leitende Schicht an den Stellen,
an denen keine Strahlung erzeugt werden soll, abzutragen. Hierfür eignet
sich beispielsweise ein Ätzverfahren.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Das Fenster weist hier einen 1 entsprechenden Längsschnitt auf und ist von
vier Seitenflächen
begrenzt, die sich jeweils aus einer ersten, zur Hauptfläche 2 senkrecht
angeordneten Teilfläche 8,
einer daran anschließenden
zweiten schräg
zur Hauptfläche 2 verlaufenden
Teilfläche 9 und
einer daran anschließenden
dritten, zur Hauptfläche 2 senkrecht
angeordneten Teilfläche 10 zusammensetzen.
Auf
der Hauptfläche 2 des
Fensters ist eine Mehrschichtstruktur 3 aufgebracht, die
eine aktive Schicht 4 in Form eines pn-Übergangs umfaßt, wobei die
p-leitende Seite von dem Fenster abgewandt ist. Die Mehrschichtstruktur
ist allseitig beabstandet von den Kanten 12 der Hauptfläche ausgebildet,
so daß der
Abstand l zwischen der seitlichen Randfläche 13 der Mehrschichtstruktur
und der entsprechenden parallelen Kante 12 des Fensters
die Auskoppelbedingung erfüllt.
Zur
Ausbildung einer rahmenförmigen
strahlungsemittierenden Fläche,
entsprechend 3a, ist auf die Mehrschichtstruktur
ein Kontaktrahmen in Form einer rahmenartigen Kontaktmetallisierung 23 aufgebracht.
Vorzugsweise ist die Kontaktmetallisierung strahlungsdurchlässig ausgeführt. Von
dem Kontaktrahmen aus führen
Stichleitungen 24 zu einer gemeinsamen zentralen Drahtanschlußfläche 25. Hier
kann ein entsprechender Drahtkontakt angeschlossen werden, über den
im Betrieb der Betriebsstrom zugeführt wird. Um zu verhindern,
daß über die Stichleitungen 24 und
die Drahtanschlußfläche 25 ein Strom
in die aktive Schicht fließt,
sind die unter den Stichleitungen und der Drahtanschlußfläche liegenden
Bereiche 26 der Mehrschichtstruktur elektrisch isoliert.
In diesen Bereichen 26 wurde die p-Leitung der oberseitigen
Schicht des pn-Übergangs
zerstört.
Dadurch wird die elektrische Leitfähigkeit erniedrigt und zudem
der pn-Übergang
gestört,
so daß in
diesen Bereichen im wesentlichen keine Strahlung erzeugt wird.
In 5a ist die Auskoppeleffizienz Q, d. h. die
auskoppelte Strahlung, bezogen auf die insgesamt erzeugte Strahlung
für ein
Bauelement gemäß 4 in Abhängigkeit der Ausdehnung der
strahlungsemittierenden Fläche
dargestellt. Die Abmessungen des Fensters sind anhand der in 5b gezeigten Aufsicht auf die Hauptfläche und
der in 5c gezeigten Schnittansicht
verdeutlicht. Die Auskopplung Q wurde für ein Fenster mit einer quadratischen
Hauptfläche
mit einer Kantenlänge
a = 600 μm
(vgl. 5b) und für eine rahmenförmige strahlungsemittierende
Fläche
mit einer Rahmenbreite b = 20 μm
berechnet. In 5a ist die Auskopplung
in Abhängigkeit
der Rahmengröße x aufgetragen.
Die Linie 27 bzw. die zugehörigen Meßpunkte beziehen sich auf ein
Fenster, bei dem die zweite, schrägstehende Teilfläche 9 mit
der ersten, zur Hauptfläche 2 senkrechten
Teilfläche 8 einen
Winkel δ =
45° einschließt und der
Abstand q zwischen erster Teilfläche 8 und
dritter Teilfläche 10 100 μm beträgt (vgl. 5c). Die Linie 28 bzw. die zugehörigen Meßpunkte
wurden für δ = 30° und q =
60 μm berechnet.
Mit kleiner werdender Rahmengröße x steigt
in beiden Fällen
die Auskoppeleffizienz Q zunächst stark
an, erreicht ein Maximum bei etwa 43% und fällt mit weiterer Verringerung
der Rahmengröße wieder ab.
Der Bereich 29 kennzeichnet einen bevorzugten Bereich für die Rahmengröße, wobei
die Obergrenze dieses Bereichs, x = 530 μm, dem durch die Auskoppelbedingung
festgelegten Mindestabstand zwischen strahlungsemittierender Fläche und
Fensterkante entspricht.
In 6 ist die Auskoppeleffizienz
für ein ähnliches
Bauelement dargestellt. Die Hauptfläche ist mit einer Kantenlänge a =
280 μm deutlich
kleiner, die schrägstehende
Teilfläche 9 ist
durch die Parameter δ =
30° und
q = 60 μm
festgelegt. Die strahlungsemittierende Fläche ist wiederum rahmenförmig mit
einer Rahmenbreite b = 20 μm.
Aufgetragen ist wie in 5 die Auskoppeleffizienz
Q in Abhängigkeit
der Rahmengröße x. Wieder
ergibt sich ein deutlicher Anstieg der Auskoppeleffizienz mit geringer werdender
Rahmengröße x, die
Linie 30 markiert die durch die Auskoppelbedingung festgelegte
Grenze.
wobei n1 den
Brechungsindex der Mehrschichtstruktur (3) und n2 den
Brechungsindex des Fensters (1) bezeichnet, und der Brechungsindex
n1 der...