專(zhuān)利名稱(chēng)：光發(fā)射光電子元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)射非相干光的光發(fā)射光電子元件。本發(fā)明尤其涉及半導(dǎo)體發(fā)光二極管。
從W.Bludau所著“半導(dǎo)體光電子學(xué)”慕尼黑，維也納，Hanser出版社，1995年，第92-114頁(yè)，例如已知多種半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LEDs和IREDs)的結(jié)構(gòu)原理。其中所述LEDs例如是在GaP，GaAsP，GaAs，GaAlAs，InGaAsP，InGaN半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)上制造的。
到目前為止已為眾所周知的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的核心問(wèn)題是從產(chǎn)生光的半導(dǎo)體本體中高效地光耦合輸出。這種耦合或者通過(guò)半導(dǎo)體本體的正面，或者通過(guò)半導(dǎo)體本體的側(cè)面實(shí)現(xiàn)。有些發(fā)光二極管含有特殊的附加層用于改變光的分布，以便抑制半導(dǎo)體本體界面處的全反射。但是這些元件的外量子產(chǎn)額始終比較低。
作為本發(fā)明基礎(chǔ)的任務(wù)在于，開(kāi)發(fā)一種光發(fā)射光電子元件，與已知的發(fā)光二極管相比，這種元件具有提高了的外量子產(chǎn)額。
此項(xiàng)任務(wù)通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的光發(fā)射光電子元件解決。本發(fā)明元件的有利的進(jìn)一步擴(kuò)展和特別優(yōu)異的實(shí)施結(jié)構(gòu)是從屬權(quán)利要求2至11的目標(biāo)。
根據(jù)本發(fā)明具有平面型光波導(dǎo)的光產(chǎn)生本體中設(shè)置一光波引導(dǎo)層，在該光波導(dǎo)中此光波引導(dǎo)層具有一光產(chǎn)生區(qū)。在元件工作時(shí)，在此區(qū)中產(chǎn)生電磁輻射。平面型光波導(dǎo)具有至少一個(gè)側(cè)向耦合輸出錐形面，經(jīng)此錐形面當(dāng)元件工作時(shí)，在光產(chǎn)生區(qū)產(chǎn)生的光由波導(dǎo)中作為空間輻射耦合輸出到光產(chǎn)生本體的周?chē)?br> 對(duì)耦合輸出錐形面可以非常概括地理解為一種斜的，即不平行也不垂直于平面型光波導(dǎo)中的光波傳播方向的，波導(dǎo)的光波引導(dǎo)層的外側(cè)表面。平面型光波導(dǎo)的整個(gè)外側(cè)表面優(yōu)先構(gòu)成為耦合輸出錐形面。因此光波引導(dǎo)層的這些外部區(qū)域?qū)υ诠獠ㄒ龑?dǎo)層中傳播的光子起錐形面的作用。
光產(chǎn)生本體的按本發(fā)明的結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫由光產(chǎn)生區(qū)發(fā)射的光子進(jìn)入平面型光波導(dǎo)的波引導(dǎo)區(qū)，光波引導(dǎo)層。光產(chǎn)生區(qū)和平面型光波導(dǎo)優(yōu)先是如此構(gòu)成的，使得主要支持TE波的發(fā)射和支持在平面型光波導(dǎo)側(cè)向的發(fā)射。
因此產(chǎn)生的電磁輻射有利地以確定的角度投到側(cè)面耦合輸出錐形面上。
在本發(fā)明的光發(fā)射光電子元件的一種優(yōu)選的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)中，光波引導(dǎo)層被安置在兩個(gè)高發(fā)射性的平面平行光反射器層中間，這些反射器層在光發(fā)射半導(dǎo)體本體的情況下首先構(gòu)成為布拉格反射器。這種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)例如從具有垂直諧振腔的激光二極管中已知，在這種二極管中往往用外延的布拉格鏡面作為諧振器鏡面(請(qǐng)參閱W.Bludau(如上所述)，第188和189頁(yè))。
這種實(shí)施結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)生光的區(qū)域，例如產(chǎn)生光的pn結(jié)，被安置在兩個(gè)高反射性的平行平面反射鏡面之間，它們構(gòu)成一個(gè)低損耗平面型光波導(dǎo)。因此波導(dǎo)內(nèi)的光損耗得以有利地明顯降低。例如用外延的布拉格反射鏡按常規(guī)可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)99％的反射系數(shù)。通過(guò)波導(dǎo)厚度的適當(dāng)選擇也可以顯著降低波導(dǎo)中的吸收損耗。
在光發(fā)射光電子元件的一種特別優(yōu)選的實(shí)施結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生光的本體是一種在其中的光產(chǎn)生區(qū)具有單量子阱或多量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體本體。這類(lèi)結(jié)構(gòu)實(shí)際上在光半導(dǎo)體技術(shù)中同樣是已知的(參閱W.Bludau(如上所述)，第182至187頁(yè))并因而在此不再進(jìn)一步說(shuō)明。
特別有利的是壓應(yīng)力量子阱，這種量子阱最佳的與通過(guò)兩個(gè)反射器層，優(yōu)先為布拉格反射器，形成的平面型波導(dǎo)的TE模式相耦合。量子阱優(yōu)先安置在當(dāng)元件運(yùn)行時(shí)形成的垂直于平面型光波導(dǎo)光波傳播方向的駐波場(chǎng)的波節(jié)附近。借此有利的是在光產(chǎn)生區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電磁輻射的發(fā)射優(yōu)先在側(cè)向，也就是平行于波導(dǎo)。
在本發(fā)明元件的另一優(yōu)選擴(kuò)展結(jié)構(gòu)中光產(chǎn)生本體具有一種主要為圓柱形的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在此其對(duì)稱(chēng)軸基本上垂直于平面型光波導(dǎo)安置。光產(chǎn)生區(qū)優(yōu)選是這樣設(shè)置的，使得光子的產(chǎn)生在圓柱形對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的軸附近實(shí)現(xiàn)。
在波導(dǎo)中向外傳播的輻射模式通過(guò)耦合輸出錐形面幾乎無(wú)損耗地轉(zhuǎn)換為空間波，并從而導(dǎo)致從光產(chǎn)生本體的最佳光耦合輸出。
在另一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施結(jié)構(gòu)中，耦合輸出錐形面與平面型光波導(dǎo)中光的傳播方向優(yōu)先形成約1°至30°的角。為了進(jìn)一步改善電磁輻射通過(guò)耦合輸出錐形面的耦合輸出，有利的是為此錐形面配置一個(gè)抗反射層。
除此之外，在一個(gè)有利的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)中，平面型光波導(dǎo)的整個(gè)側(cè)面被構(gòu)成為耦合輸出錐形面。
根據(jù)本發(fā)明的光產(chǎn)生本體可以有利地裝入常規(guī)的LED外殼中，例如徑向LED外殼，用于側(cè)向或向上發(fā)射的LEDs的SMD外殼或SOT外殼，在這些外殼中，它們被灌注在塑料中。然而可以想象，也可以使用任何其它LED外殼結(jié)構(gòu)。
由下面結(jié)合附

圖1至3所述實(shí)施例得到本發(fā)明光電子元件的其它實(shí)施形式和擴(kuò)展結(jié)構(gòu)。這些附圖是圖1一個(gè)實(shí)施例的垂直截面示意圖，圖2另一個(gè)實(shí)施例的正視示意圖，和圖3圖2實(shí)施例的側(cè)視示意圖。
在附圖中相同的和作用相同的組成部分各用相同的參考符號(hào)標(biāo)明。
在圖1的實(shí)施例中涉及的是一種垂直漸變的發(fā)光二極管，在此二極管中，在一個(gè)例如由n型摻雜的GaAs構(gòu)成的襯底10的第一主表面11上安置一個(gè)第一布拉格反射器層1，例如由約20個(gè)n型摻雜的各厚約150nm的AlAs/GaAs層對(duì)組成。這類(lèi)布拉格反射器及其作用原理和其制造方法，在光半導(dǎo)體技術(shù)中是已知的，因而在此不再詳述。
在第一布拉格反射器層1上安置一個(gè)光波引導(dǎo)層3，此層由面向第一布拉格反射器層1的下層部分19，例如由n型摻雜的AlGaAs(例如具有n≈5×1017cm-3的Al0.2Ga0.8As)和由遠(yuǎn)離第一布拉格反射器層1的上層部分20，例如由p型摻雜的AlGaAs(例如具有p≈5×1017cm-3的Al0.2Ga0.8As)組成并例如總計(jì)約為3μm厚。在光波引導(dǎo)層3的上層部分20和下層部分19之間有一個(gè)未摻雜的復(fù)合區(qū)4，此區(qū)例如由具有約10nm厚的GaAs勢(shì)壘的3個(gè)約8nm厚的In0.2Ga0.8As量子阱組成。
在光波引導(dǎo)層3上方安置一第二布拉格反射器層2，此層例如由約20個(gè)由p型摻雜的Al0.9Ga0.1As/GaAs層對(duì)組成的鏡面對(duì)制成，并且作為最下層，即作為緊靠光波引導(dǎo)層3的層，包含一個(gè)約30nm厚的AlxGa1-xAs層(0.97≤x≤1)用于橫向氧化形成一AlxOy層。P型摻雜的布拉格反射器層2的最下層不是整個(gè)表面都氧化成AlxOy的，而是在中間區(qū)域有一個(gè)未氧化區(qū)13。這個(gè)局部氧化的AlGaAs層12，在元件工作時(shí)導(dǎo)致半導(dǎo)體本體9中橫向的電流收縮。然而這種收縮也可以如此來(lái)實(shí)現(xiàn)，即半導(dǎo)體本體9的某些區(qū)域借助離子注入或橫向注入制成為導(dǎo)電的或電絕緣的。
第二布拉格反射器層2的最上層，即位于離光波引導(dǎo)層3最遠(yuǎn)的層，例如是一個(gè)高摻雜的p型GaAs接觸層，在此層上安置一個(gè)TiPtAu接觸14。作為第二電接觸16的是在位于與襯底10的第一主面11相對(duì)的第二主面15的整個(gè)面上安置一個(gè)n型接觸，例如由AuGeNi組成。這兩個(gè)布拉格反射器層1，2例如是按已知的方式調(diào)制摻雜的，以便實(shí)現(xiàn)光產(chǎn)生區(qū)4的內(nèi)部pn結(jié)與外部電接觸14，16的低歐姆結(jié)合，并具有例如漸變的異質(zhì)結(jié)。
光波引導(dǎo)層3的包括布拉格反射器層1，2在內(nèi)的側(cè)面5，以對(duì)布拉格反射器層1，2的鏡面和從而對(duì)平面型光波導(dǎo)7為α的角度被傾斜拋光，光波導(dǎo)層7由第一和第二布拉格反射器層1，2及光波引導(dǎo)層3組成。從而這種側(cè)面為在光波引導(dǎo)層中沿光傳播方向18向外傳播的光子起到垂直橫向耦合輸出錐形面的作用。角度α優(yōu)先約在1°和30°之間。在傾斜的側(cè)面5上配置抗反射層8。
對(duì)根據(jù)圖1的實(shí)施例的垂直橫向錐形結(jié)構(gòu)的另一種可能選擇是也可以采用水平橫向錐形結(jié)構(gòu)。用于此種結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例在圖2和圖3中的正視圖和側(cè)視圖中示出。在有關(guān)層的序列方面，這個(gè)實(shí)施例與圖1的實(shí)施例完全相同。
但是在這里光波引導(dǎo)層3的包括兩個(gè)鏡面層的側(cè)面5對(duì)布拉格反射器層1，2不是傾斜構(gòu)成的。取而代之的是波導(dǎo)7具有垂直于布拉格反射器層1，2的由側(cè)面向半導(dǎo)體本體9中心方向延伸的楔形切口21，其張角例如可達(dá)20°并且橫向的楔形深度可達(dá)100μm。波導(dǎo)層7的側(cè)面在這里也可以配置抗反射層8。
元件的典型直徑在100和300μm之間。P型接觸的直徑在50和100μm之間，錐形面區(qū)域在25和100μm之間變化。用平面型光波導(dǎo)的厚度可以調(diào)整剩余吸收，此種吸收隨層厚的平方下降。布拉格反射鏡的厚度對(duì)所介紹的實(shí)例均約為3μm。
所述層序列的制造可以用例如分子束外延法進(jìn)行。P型摻雜可以用例如碳，n型摻雜可以用硅。這種制造例如同樣可以用金屬有機(jī)氣相外延法。錐形結(jié)構(gòu)可以例如用干法刻蝕實(shí)現(xiàn)，AlxGa1-xAs層的橫向氧化可以在約400℃下在水蒸氣中進(jìn)行。
如上所述，既可以用星形水平橫向耦合輸出錐形面，也可以用簡(jiǎn)單的楔形垂直橫向耦合輸出錐形面，但也可以用各種其它的適當(dāng)形狀的耦合輸出錐形面。
當(dāng)然對(duì)已簡(jiǎn)述的實(shí)施例其它可另選擇的結(jié)構(gòu)，例如非圓柱形對(duì)稱(chēng)幾何形狀是可能的。鏡面的如用金屬層的可另選擇的結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用。同樣用于電流收縮的其它措施例如可以采用離子注入或反向偏置的pn二極管。本結(jié)構(gòu)也不限制在實(shí)施例中所述的材料系統(tǒng)，而是也可以例如在材料系統(tǒng)在GaAs襯底上的InAlGaP或在InP襯底上的InGaAsP或在SiC或藍(lán)寶石襯底上的InAlGaN中實(shí)現(xiàn)。除此之外所建議的結(jié)果也可以在II-VI半導(dǎo)體系統(tǒng)或有機(jī)光發(fā)射元件中實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.光發(fā)射光電子元件，其中在一個(gè)光產(chǎn)生本體(9)內(nèi)設(shè)置一具有一光波引導(dǎo)層(3)和一波傳播方向(18)的平面型光波導(dǎo)(7)，其中光波引導(dǎo)層(3)具有一光產(chǎn)生區(qū)(4)，在該區(qū)內(nèi)在元件工作時(shí)產(chǎn)生電磁輻射，并且其中至少光波引導(dǎo)層(3)為了光的耦合輸出具有至少一個(gè)對(duì)平面型光波導(dǎo)(7)中的波傳播方向(18)呈傾斜位置的外側(cè)面(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光發(fā)射光電子元件，其中光波引導(dǎo)層(3)被安置在兩個(gè)高反射性的平面平行的光反射器層(1，2)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的光發(fā)射光電子元件，其中兩個(gè)反射器層(1，2)各自構(gòu)成為布拉格反射器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的光發(fā)射光電子元件，其中光產(chǎn)生本體(9)是一種半導(dǎo)體本體，其中光產(chǎn)生區(qū)(4)具有一單量子阱結(jié)構(gòu)或一多量子阱結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的光發(fā)射光電子元件，其中單量子阱以及多量子阱結(jié)構(gòu)是以這種方式由壓應(yīng)力量子阱制成的，使得它們與平面型光波導(dǎo)(7)的TE模式最佳耦合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的光發(fā)射光電子元件，其中量子阱被安置在一個(gè)在元件工作時(shí)在波導(dǎo)(7)的垂直方向形成的駐波場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)附近。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的光發(fā)射光電子元件，其中光波導(dǎo)(7)被構(gòu)成為垂直橫向耦合輸出錐形面(6)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的光發(fā)射光電子元件，其中光波導(dǎo)(7)被構(gòu)成為水平橫向耦合輸出錐形面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一的光發(fā)射光電子元件，其中對(duì)平面型光波導(dǎo)(7)中的波傳播方向(18)呈傾斜位置的外側(cè)面(6)，與波導(dǎo)(7)中的光的傳播方向(18)構(gòu)成一個(gè)在1°和30°之間范圍的角度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一的光發(fā)射光電子元件，其中至少對(duì)平面型光波導(dǎo)(7)中的波傳播方向(18)呈傾斜位置外側(cè)面(6)配置一抗反射層(8)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一的光發(fā)射光電子元件，其中平面型光波導(dǎo)(7)的整個(gè)外側(cè)面與平面型光波導(dǎo)(7)中的波傳播方向(18)呈傾斜位置。
全文摘要
光發(fā)射光電子元件,其中在光產(chǎn)生本體(9)內(nèi)設(shè)置一具有一光波引導(dǎo)層(3)的平面型光波導(dǎo)(7)。光波引導(dǎo)層(3)具有一光產(chǎn)生區(qū)(4),在該區(qū)內(nèi)在元件工作時(shí)產(chǎn)生電磁輻射。平面型光波導(dǎo)(7)為了從波導(dǎo)(7)中耦合輸出光具有至少一個(gè)橫向耦合輸出錐形面(6)。
文檔編號(hào)H01L33/14GK1261462SQ98806607
公開(kāi)日2000年7月26日 申請(qǐng)日期1998年6月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月26日
發(fā)明者K·J·埃貝林 申請(qǐng)人:奧斯蘭姆奧普托半導(dǎo)體股份有限兩合公司