DE19727233A1 - Strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement, das inkohärente Strahlung aus­ sendet. Sie bezieht sich insbesondere auf Halbleiter-Lumines­ zenzdioden.

Verschiedene Bauprinzipien von Halbleiter-Lumineszenzdioden (LEDs und IREDs) sind beispielsweise aus W. Bludau, Halblei­ ter-Optoelektronik, München, Wien, Hanser-Verlag 1995, Seiten 92 bis 114 bekannt. Die hierin beschriebenen LEDs sind bei­ spielsweise auf der Basis von GaP-, GaAsP-, GaAs-, GaAlAs-, InGaAsP-, InGaN-Halbleitermaterial hergestellt.

Ein zentrales Problem der bislang bekannt gewordenen Lumines­ zenzdioden-Strukturen ist die effiziente Strahlungsauskopp­ lung aus dem die Strahlung erzeugenden Halbleiterkörper. Die­ se erfolgt entweder durch die Vorderseite oder durch die Sei­ tenflächen des Halbleiterkörpers. Manche Lumineszenzdioden enthalten spezielle zusätzliche Schichten zur Strahlungsver­ teilung, um die Totalreflexion an den Grenzflächen des Halb­ leiterkörpers zu unterdrücken. Die externe Quantenausbeute dieser Bauelemente ist aber nach wie vor vergleichsweise ge­ ring.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement zu ent­ wickeln, das im Vergleich zu den bekannten Lumineszenzdioden eine erhöhte externe Quantenausbeute aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein strahlungsemittierendes opto­ elektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und besonders bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bauelements sind Ge­ genstand der Unteransprüche 2 bis 11.

Erfindungsgemäß ist ein strahlungerzeugender Körper mit einem planaren optischen Wellenleiter mit einer Wellenführungs­ schicht vorgesehen, bei dem die Wellenführungsschicht eine strahlungserzeugende Zone aufweist. Im Betrieb des Bauele­ ments wird in dieser Zone eine elektromagnetische Strahlung erzeugt. Der planare optische Wellenleiter weist mindestens einen lateralen Auskoppeltaper auf, über den im Betrieb des Bauelements die in der strahlungserzeugenden Zone generierte Strahlung aus dem Wellenleiter als Raumstrahlung in die Umge­ bung des strahlungserzeugenden Körpers ausgekoppelt wird.

Unter Auskoppeltaper ist ganz allgemein eine schräg, d. h. nicht parallel und nicht senkrecht zu einer Wellenausbrei­ tungsrichtung im planaren optischen Wellenleiter stehende äu­ ßere Seitenfläche der Wellenführungsschicht des Wellenleiters zu verstehen. Vorzugsweise ist die gesamte Seitenfläche des planaren optischen Wellenleiters als Auskoppeltaper ausgebil­ det. Diese Außenbereiche der Wellenführungsschicht wirken so­ mit als Taper für die sich in der Wellenführungsschicht aus­ breitenden Photonen.

Die erfindungsgemäße Struktur des strahlungserzeugenden Kör­ pers zwingt die von der strahlungserzeugenden Zone emittier­ ten Photonen in den wellenführenden Bereich, die Wellenfüh­ rungsschicht, des planaren optischen Wellenleiters. Bevorzugt ist die strahlungserzeugende Zone und der planare optische Wellenleiter derart ausgebildet, daß vornehmlich die Ab­ strahlung von TE-Wellen und die Abstrahlung in lateraler Richtung des planaren optischen Wellenleiters unterstützt ist.

Die erzeugte elektromagnetische Strahlung trifft folglich vorteilhafterweise in einem definierten Winkel auf den late­ ralen Auskoppeltaper.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen strahlungsemittierenden optoelektronischen Bauelementes ist die Wellenführungsschicht zwischen zwei hochreflektierenden planparallelen optischen Reflektorschichten angeordnet, die im Falle eines strahlungsemittierenden Halbleiterkörpers vor­ zugsweise als Bragg-Reflektoren ausgebildet sind. Derartige Strukturen sind z. B. von Laserdioden mit Vertikalresonatoren bekannt, wo als Resonatorspiegel meist epitaktische Bragg- Spiegel verwendet werden (man vergleiche W. Bludau (siehe oben), Seiten 188 und 189).

Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform besteht dar­ in, daß die strahlungserzeugende Zone, z. B. ein strahlungs­ erzeugender pn-Übergang, zwischen zwei hochreflektierenden planparallelen Spiegeln eingebracht ist, die einen verlustar­ men planaren optischen Wellenleiter bilden. Optische Verluste innerhalb des Wellenleiters sind dadurch vorteilhafterweise deutlich reduziert. Mit epitaktischen Bragg-Spiegeln sind beispielsweise Reflexionsfaktoren von über 99% routinemäßig realisierbar. Durch geeignete Wahl der Dicke des Wellenlei­ ters lassen sich auch die Absorptionsverluste im Wellenleiter erheblich reduzieren.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des strah­ lungsemittierenden optoelektronischen Bauelements ist der strahlungserzeugende Körper ein Halbleiterkörper, bei dem die strahlungserzeugende Zone eine Einfach- oder Mehrfach- Quantenwell-Struktur aufweist. Derartige Strukturen an sich sind in der Optohalbleiter-Technik ebenfalls bekannt (man vergleiche W. Bludau (siehe oben), Seiten 182 bis 187) und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.

Besonders vorteilhaft sind kompressiv verspannte Quanten­ wells, die optimal an die TE-Moden des durch die beiden Re­ flektorschichten, bevorzugt Bragg-Reflektoren, gebildeten planaren Wellenleiters koppeln. Die Quantenwells sind bevor­ zugt in der Nähe eines Knotens eines sich im Betrieb des Bau­ elements vertikal zur Wellenausbreitungsrichtung das planaren optischen Wellenleiters ausbildenden Stehwellenfeldes ange­ ordnet. Dadurch wird vorteilhafterweise die Abstrahlung der in der strahlungserzeugenden Zone generierten elektromagneti­ schen Strahlung in laterale Richtung, also parallel zum Wel­ lenleiter, bevorzugt.

Bei einer weiterhin bevorzugten Weiterbildung des erfindungs­ gemäßen Bauelements weist der strahlungserzeugende Körper ei­ ne im Wesentlichen zylindersymmetrische Form auf, wobei deren Symmetrieachse im Wesentlichen senkrecht zum planaren opti­ schen Wellenleiter verläuft. Die strahlungserzeugende Zone ist bevorzugt derart angeordnet, daß die Photonenerzeugung in der Nähe der Achse der zylindersymmetrischen Struktur er­ folgt.

Die in dem Wellenleiter nach außen laufenden Strahlungs-Moden werden durch die Auskoppeltaper nahezu verlustfrei in Raum­ wellen umgesetzt und bewirken damit eine optimale Auskopplung des Lichtes aus dem strahlungserzeugenden Körper.

Bei einer wiederum besonders bevorzugten Ausführungsform schließt der Auskoppeltaper mit der Ausbreitungsrichtung der Strahlung im planaren optischen Wellenleiter bevorzugt einen Winkel von etwa 1° bis 30° ein. Um die Auskopplung der elek­ tromagnetischen Strahlung durch den Auskoppeltaper weiter zu verbessern, ist dieser vorteilhafterweise mit einer Antire­ flexionsschicht versehen.

Darüberhinaus ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung die gesamte Seitenfläche des planaren optischen Wellenleiters als Auskoppeltaper ausgebildet ist.

Erfindungsgemäße strahlungserzeugende Körper können vorteil­ hafterweise in herkömmliche LED-Gehäuse, wie z. B. Radial-LED- Gehäuse, SMD-Gehäuse für seitlich oder nach oben emittierende LEDs oder SOT-Gehäuse eingebaut sein, in denen sie in Kunst­ stoff eingegossen sind. Denkbar sind jedoch auch beliebige andere LED-Gehäusebauformen.

Weitere Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungs­ gemäßen optoelektronischen Bauelements ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen in Verbin­ dung mit den Fig. 1 bis 3. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer vertikalen Schnittansicht eines Ausführungsbeispieles,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines weitern Ausführungsbeispieles und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht des Ausführungsbeispieles von Fig. 2.

In den Figuren sind gleiche und gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 handelt es sich um eine vertikal getaperte Leuchtdiode, bei der auf einer ersten Hauptfläche 11 eines beispielsweise aus n-dotiertem GaAs be­ stehenden Substrats 10 eine erste Bragg-Reflektor-Schicht 1, z. B. bestehend aus etwa 20 n-dotierten AlAs/GaAs- Schichtpaaren von jeweils ca. 150 nm Dicke, aufgebracht ist. Derartige Bragg-Reflektoren sowie deren Funktionsprinzip und deren Herstellungsverfahren sind in der Optothalbleiter- Technik bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht mehr näher erläutert.

Auf der ersten Bragg-Reflektor-Schicht 1 ist eine Wellenfüh­ rungsschicht 3 angeordnet, die in dem der ersten Bragg- Reflektor-Schicht 1 zugewandten unteren Teil 19 z. B. aus n­ dotiertem AlGaAs (z. B. Al_0,2Ga_0,8As mit n ≈ 5 × 10¹⁷ cm ^-3) und in dem von der ersten Bragg-Reflektor-Schicht 1 abgewandten oberen Teil 20 z. B. aus p-dotiertem AlGaAs (z. B. Al_0,2 Ga_0,8As mit p ≈ 5 × 10¹⁷ cm^-3) besteht und beispielsweise ins­ gesamt ca. 3 µm dick ist. Zwischen dem oberen Teil 20 und dem unteren Teil 19 der Wellenführungsschicht 3 befindet sich ei­ ne undotierte Rekombinationszone 4, die beispielsweise aus drei ca. 8 nm dicken In_0,2Ga_0,8As-Quantenwells mit ca. 10 nm dicken GaAs-Barrieren besteht.

Über der Wellenführungsschicht 3 ist eine zweite Bragg- Reflektor-Schicht 2 angeordnet, die beispielsweise aus ca. 20 Spiegelpaaren, bestehend aus p-dotierten Al_0,9Ga_0,1As/GaAs- Schichtpaaren hergestellt ist und die als unterste Schicht, d. h. als der Wellenführungsschicht 3 nächstliegende Schicht, eine ca. 30 nm dicke Al_xGa_1-xAs-Schicht (0,97 ≦ x ≦ 1) für ei­ ne laterale Oxidation zu einer Al_xO_y-Schicht enthält. Die un­ terste Schicht des p-dotierten Bragg-Reflektors 2 ist nicht ganzflächig zu Al_xO_y oxidiert, sondern weist im Mittelbereich eine nichtoxidierte Zone 13 auf. Diese teilweise oxidierte AlGaAs-Schicht 12 bewirkt im Betrieb des Bauelements eine la­ terale Stromeinschnürung im Halbleiterkörper 9. Dies kann je­ doch auch dadurch erreicht werden, daß bestimmte Bereiche des Halbleiterkörpers 9 mittels Ionenimplantation oder late­ raler Injektion elektrisch leitend oder elektrisch isolierend gemacht sind.

Die oberste Schicht der zweiten Bragg-Reflektor-Schicht 2, d. h. die von der Wellenführungsschicht 3 am weitesten entfernt liegende Schicht, ist z. B. eine hoch p-dotierte GaAs- Kontaktschicht, auf der ein TiPtAu-Kontakt 14 aufgebracht ist. Als zweiter elektrischer Kontakt 16 ist auf der der er­ sten Hauptfläche 11 gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche 15 des Substrats 10 ganzflächig ein n-Kontakt, z. B. bestehend aus AuGeNi, aufgebracht. Die beiden Bragg-Reflektor-Schichten 1, 2 sind beispielsweise in bekannter Weise modulationsdo­ tiert, um eine niederohmige Ankopplung des inneren pn- Übergangs der strahlungserzeugenden Zone 4 an die äußeren elektrischen Kontakte 14, 16 zu erreichen, und besitzen z. B. graduierte Heteroübergänge.

Die Seitenflächen 5 der Wellenführungsschicht 3 einschließ­ lich der Bragg-Reflektor-Schichten 1, 2 sind mit einem Winkel α gegen die Spiegelflächen der Bragg-Reflektor-Schichten 1, 2 und damit gegen den planaren optischen Wellenleiter 7, beste­ hend aus der ersten und der zweiten Bragg-Reflektor-Schicht 1, 2 und der Wellenführungsschicht 3, poliert angeschrägt. Sie wirken damit als vertikale laterale Auskoppeltaper für die in der Wellenführungsschicht in Strahlungsausbreitungsrichtung 18 nach außen sich ausbreitenden Photonen. Der Winkel α liegt bevorzugt etwa zwischen 1° und 30°. Auf die angeschrägten Seitenflächen 5 ist eine Antireflexschicht 8 aufgebracht.

Alternativ zu der vertikalen lateralen Taperstruktur gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 lassen sich auch horizon­ tale laterale Taperstrukturen einsetzen. Ein Ausführungsbei­ spiel dafür ist in den Fig. 2 und 3 in Draufsicht bzw. Seitenansicht gezeigt. Dieses ist hinsichtlich der Schichten­ folge dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 identisch.

Hier ist aber die Seitenfläche 5 der Wellenführungsschicht 3 inklusive der beiden Spiegelschichten nicht schräg zu den Bragg-Reflektor-Schichten 1, 2 ausgebildet. Der Wellenleiter 7 weist statt dessen senkrecht zu den Bragg-Reflektor-Schichten 1, 2 stehende, von der Seitenfläche in Richtung Mitte des Halbleiterkörpers 9 verlaufende keilförmige Einschnitte 21 auf, deren Öffnungswinkel beispielsweise bis zu 20° sein kön­ nen und die laterale Keiltiefen von bis zu 100 µm aufweisen können. Die Seitenflächen des Wellenleiters 7 können- auch hier mit einer Antireflexschicht 8 versehen sein.

Der charakteristische Durchmesser der Bauelemente liegt zwi­ schen 100 und 300 µm. Durch Durchmesser des p-Kontaktes be­ trägt zwischen 50 und 100 µm, der Taperbereich variiert zwi­ schen 25 und 100 µm. über die Dicke des planaren optischen Wellenleiters läßt sich die residuäre Absorption einstellen, die quadratisch mit der Schichtdicke abnimmt. Die Dicke der Bragg-Spiegel beträgt für das vorgestellte Beispiel jeweils etwa 3 µm.

Die Herstellung der beschriebenen Schichtenfolgen kann bei­ spielsweise mit Molekularstrahlepitaxie erfolgen. Zur p- Dotierung kann beispielsweise Kohlenstoff, zur n-Dotierung Silizium dienen. Die Herstellung ist z. B. ebenso mit metal­ lorganischer Gasphasenepitaxie möglich. Die Taperstrukturen lassen sich z. B. durch Trockenätzen realisieren. Die latera­ le Oxidation der Al_xGa_1-xAs-Schicht kann in Wasserdampf bei ca. 400°C erfolgen.

Wie oben beschrieben, können sowohl sternförmige horizontale laterale Auskoppeltaper oder einfache keilförmige vertikale laterale Auskoppeltaper, aber auch jede andere geeignete Form eines Auskoppeltapers genutzt werden.

Alternative Bauformen zu den skizzierten Ausführungen, wie beispielsweise nichtzylindersymmetrische Geometrien sind selbstverständlich möglich. Alternative Ausbildungen der Spiegel etwa durch Metallschichten sind anwendbar. Ebenso sind andere Maßnahmen zur Stromeinschnürung wie z. B. durch Ionenimplantation oder rückwärts vorgespannte pn-Dioden ein­ setzbar. Die Struktur ist auch nicht auf das in den Ausfüh­ rungsbeispielen beschriebene Materialsystem beschränkt, son­ dern läßt sich beispielsweise auch in den Materialsystemen InAlGaP auf GaAs-Substrat oder InGaAsP auf InP-Substrat oder InAlGaN auf SiC- oder Saphir-Substrat verwirklichen. Darüber hinaus können die vorgeschlagenen Strukturen auch in II-VI- Halbleitersystemen oder organischen lichtemittierenden Bau­ elementen realisiert werden.

Claims (11)

1. Strahlungemittierendes optoelektronisches Bauelement, bei dem in einem strahlungserzeugenden Körper (9) ein planarer optischer Wellenleiter (7) mit einer Wellenführungsschicht (3) vorgesehen ist, bei dem die Wellenführungsschicht (3) ei­ ne strahlungserzeugende Zone (4) aufweist, in der im Betrieb des Bauelements elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, und bei der der planare optische Wellenleiter (7) mindestens einen lateralen Auskoppeltaper (6) zur Auskopplung der Strah­ lung aus dem Wellenleiter (7) aufweist.

2. Strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Wellenführungsschicht (3) zwischen zwei hochreflektierenden planparallelen optischen Reflektor­ schichten (1, 2) angeordnet ist.

3. Strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 2, bei dem die beiden Reflektorschichten (1, 2) je­ weils als Bragg-Reflektor ausgebildet sind.

4. Strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der strahlungserzeugende Körper (9) ein Halbleiterkörper ist, bei dem die strahlungs­ erzeugende Zone (4) eine Einfach- oder Mehrfach-Quantenwell- Struktur aufweist.

5. Strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 4, bei dem die Einfach- bzw. Mehrfach-Quantenwell- Struktur aus kompressiv verspannten Quantenwells hergestellt sind, derart, daß sie optimal an die TE-Moden des planaren optischen Wellenleiters (7) ankoppeln.

6. Strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 5, bei dem die Quantenwells in der Nähe eines Kno­ tens eines sich im Betrieb des Bauelements in vertikaler Richtung zum Wellenleiter (7) ausbildenden Stehwellenfeldes angeordnet sind.

7. Strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der laterale Auskoppel­ taper (6) als vertikaler lateraler Auskoppeltaper ausgebildet ist.

8. Strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der laterale Auskoppel­ taper (6) als horizontaler lateraler Auskoppeltaper ausgebil­ det ist.

9. Strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Auskoppeltaper (6) mit der Ausbreitungsrichtung der Strahlung im Wellenleiter (7) einen Winkel von etwa 1° bis 30° einschließt.

10. Strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der laterale Aus­ koppeltaper (6) mit einer Antireflexionsschicht (8) versehen ist.

11. Strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die gesamte Sei­ tenfläche des planaren optischen Wellenleiters als Auskoppel­ taper (6) ausgebildet ist.