DE2416098A1

DE2416098A1 - Optische halbleiterstrahlungsquelle mit domfoermig ausgebildeter oberflaeche

Info

Publication number: DE2416098A1
Application number: DE2416098A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Krause
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-04-03
Filing date: 1974-04-03
Publication date: 1975-10-09

Description

Optische Halbleiterstrahlungsquelle mit domförmig ausgebildeter Oberfläche Die Erfindung betrifft eine optische Halbleiterstrahlungsquelle mit mindestens einem pn-Übergang zwischen zwei Bereichen unterschiedlicher Leitfähigkeit, bei welchem mindestens eine äußere Oberfläche domförmig ausgebildet ist.
Es wurde bereits diskutiert, den Grenzwinkel der Totalreflexion zu erhöhen, indem der Kristall mit einem Medium mit großer Brechzahl beschichtet wird. Hierzu kommen Kunststoffe mit einer Brechzahl von ungefähr 1,6 in Frage Die danift zu erzielende Verbesserung ist Jedoch unzureichend.
Es ist auch bereits bekannt (vergl. " Physics of Semiocnductor Devices ", John Wiley & Sons, New York 1969, Seiten 636 DiS 640) Lumineszenz-Dioden so auszubilden, daß sie die Form eines halbkugelförmigen oder parabolischen Domes besitzen. Mit dieser Maßnahme wird die Totalreflexion der in den Dom einfallenden Strahlung nahezu unterdrückt, vorausgesetzt, die emittierende Grenz.
fläche befindet sich im Zentrum der unteren Begrenzungsfläche des Domes. Durch diese einschränkende Bedingung stehen weniger als 5 % der unteren Begrcnzungsfläche des Domes ri.q strahlungsemittierende Fläche zur Verfügung. Dadurch ergibt sich jedoch eine geringe Strahlungsdichte an der Domoberfläche. Außerdem ist die Ausnutzung des Halbleitermaterials solcher .tumineszerwz-Dioden schlecht, und das wiederum insbesondere bei relativ großen Lumineszenz-Dioden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, optische Halbleiterstrahlungsquellen anzugeben, bei denen die Totalreflexie weitgehend unterdrückt wird, das HalbleitermateriaL besser aus genutzt wird und die Strahlungsdichte an der Oberfläche heraufgesetzt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dom in dem dem pn-Übergang abgewandten Teil so geformt ist, daß. als Tangenten an die Seitenflächen dieses Domteiles sich unter einrr spitze Winkel derart schneiden, daß der Dom im Winkelraum des spitzen Winkels liegt.
Durch die erfindungsgemäße Formgebung des Domes erreicht man, daß die strahlungsemittierende Grenzfläche die gc':.'r" anters 3egrenzungsfläche des Domes einnehmen kann und somit um den Fakter 20 größer als die im oben genannten Stand der Technik vorgeschlagene, emittierende Grenzfläche ist. Diese erhebliche Vergrößerun der stra2ngsemittierenden Grenzfläche bewirkt aber eine erhebliche Verstörkung der Strahlungsdichte an der Domoberfläche. Außerdem wird dadurch die Ausnutzung des Halbleitermaterials verbessert Eine Weiterbildung der Erfindung ist es, daß der Dom näherungsweise einen dreieckförmigen Querschnitt aufweist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin; daß der Dorn an seiner Basis einen von ebenen Flächen begrenzten pn-Über@ gang aufweist.
Besonders vorteilhaft ist es, daß die Mantellinien des Domes konvex verlaufen.
Einen weiteren Vorteil für Halbleiterstrahlungsquellen, die nach den Ansprüchen 4 oder 4 gestaltet sind, wird dadurch erzielt, daß die den pn-Übergang bildende Flache an den Rändern eine ähnliche Krümmung aufweist wie diejenigen Teile des Domes, die dem pn-Ubergang am nächsten liegen. Die Anpassung der Krümmungen von emittie render Grenzfläche und umgebendem Dom bewirkt, daß auch die tangentral zur Grenzfiäche abgegebene Strahlung aus der Oberfläche des Dornes austreten kann.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der spitze Winkel des Domquerschnittes ungefähr doppelt so groß wie der Grenzwinkel der Totalreflexion des den Dom bildenden Materials ist.
Diese Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, daß die im Kritall i''ougte Strahlung diesen unmittelbar oder nach einmaliger Reflexion verlassen kann.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Dom rotationssymmetrisch ist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Dom in dem dernpn-Übergang am nächsten liegenden Teil einen zylinderförmigen Abschnitt enthält. Diese Formgebung hat den Vorteil, daß auch tangential abge strahlte s Li ht die Halbleiteroberfläche verlassen kann und nicht wie bei einer Formgebung nach Fig.1 zur Fläche des pn-Überganges hin reflektiert wird, so daß dieser Strahlungsanteil von dem darunterbefindlichen Kontakt weitgehend absorbiert wird.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Höhe des zylinderför migen Abschnittes kleiner als 25 % des größten Durchmessers des Domes ist. Diese Ausgestaltung eröffnet die Möglichkeit einer Optimierung der Abstrahlung nach außen unter weitgehender Vermeidung der Totalreflexion sowohl für senkrecht als auch für tangential zur emittierenden Grenzfläche ausgestrahltes Licht.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Dom aus dem gleichen, Jedoch undotiertem Halbleiterrnaterial wie die Zone des dem Dom benachbarten pn-überganges besteht.
Einen weiteren Vorteil erreicht man dadurch, daß der gesamte Halbleiterkristall in Kunststoff eingebettet ist. Mit dieser Maßnahme kann die anfangs erwähnte Möglichkeit, den Totalreflexionsanteil des von der Grenzfläche emittierten Lichtes durch Kunststoffbeschi.chtung herabzusetzen, mit den Vorteilen unserer Erfindung kombiniert und die Strahlungsausbeute somit verstärkt werden.
Schließlich besteht eine Weiterbildung der Erfindung darin, daß der Halbleiterkristall spiegelsymmetrisch zur Ebene des pn-Über ganges ausgebildet ist. Durch. diese Maßnahme ist die emittierende Grenzfläche räumlich vollkommen von zwei Domen umschlossen, so das alle Strahlungsrichtungen der von der Grenzfläche emittierten Strahlung mit einer hoher, Ausbeute über die beidseitigen Domgebil--de direkt oder nach einmaligr Totalreflexion nach außen gelangen können.
Nachfolgend wird die Erfindung an Stand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig.1: Eine Halbleiterstrahlungsquelle mit dreieckigem Querschnitt, Fig.2: Eine HalbleiterstrahlurgsKuelle mit zum Teil zylinderförmig und zum Teil kegelförmig ausgebildetem Dom im Querschnitt, Fig.3: Eine Halbleiterstrahlungsquelle mit spitzwinklig ausgebildetem Dom und konvex verlaufenden Mantellinien im Querschnitt, Fig.4: Eine Halbleiterstrahlungsquelle mit spiegelbildlich zur Ebene des pn-überganges ausgebildeten Domen im Querschnitt.
Fig.1 stellt eine erfindungsgemäi3e HalbleiterstrahlWngscuelle im Querschnitt da". Die Zone des einen Leitfähigkeitstyps wird als schraffierte Zone 1 in der Zeichnung wiedergegeben, während die schraffierte Zone 2 dieJenige Zone des anderen, zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp bezeichnet. Die Linie 11 stellt die Fläche des Strahlung erzeugenden pn-Uberganges dar. Die Teile 3 bezeichnen die Halbleiterkontakte. Die äußeren Anschlüsse für diese Kontakte sind symbolisch mit 4 und 5 bzeicflnet. Die Erhebung über den beiden schraffiert gezeichneten Zonen 1 und 2 wird als Dom 6 bezeichnet, der vorzugsweise aus nicht dotiertem Halb3.eitermaterial bestehen kann. Der Winkel an der Spitze des Domes wird mit 7 bezeichnet.
Fig.2 stellt ebenfalls eine erfindungsgemäße Halbloiterstrahlungsquell im Querschnitt dar, wobei die beiden verschieden dosierten Zonen 1 und 2 jedoch eine andere Form als in Fig.1 aufweisen. Die Formgebung der Zonen 1 und 2 ergibt sich aus einem Angleich der durch die Linie 11 dargestellten Fläche des strahlungserzeugenden pn-Überganges an die Mantellinien 9 des Domes 6. Der Dom 6 ist abweichend zur Fig.1 in demjenigen Teil, der dem pn-Ubergang am nächsten liegt, so geformt, daß ein Teil der Mantellinien 9 von zueinander parallelen geraden Teilen gebildet wird, während die Mantellinien im denjenigen Teil, der von dem strahlungserzeugenden pn-Übergang am weitesten entfernt ist, sich spitzwinklig schneiden.
insbesondere kann derjenige Teil des Domes 6, der dem pn-Übergang am nächsten liegt, zylindrisch und der anschließende Teil des Domes kegelförmig geformt sein, Die Bezeichnung mit den Zii:'fern 3, 4, und 7 gilt in Fig.2 analog wie in Fig.1 beschrieben.
In Fig.3 wurde die Numerierung von Fig.1 und 2 beibehalten. Fig.3 unterscheidet sich von Fig.2 lediglich dadurch, daß die Mantellinien 9 des Domes 6 konvex verlaufen.
In Fig.4 wurde wiederum die Bezeichnung der vorhergehenden Fr."" ren übernommen. Unterschiedlich von allen vorhergehenden Figuren sind, hier spiegelbildlich zur strahlungserzeugenden Fläche des pn-Überganges zwei Dome angeordnet.
Im folgenden soll die Erfindung an Hand spezieller Ausführungsbstiele näher erläutert werden: Die in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Dome können vorzugsweise aus dem gleichen dotierten oder auch nicht dotierten Halbleiter material bestehen wie die Zonen 1 und 2 des strahlungsemittierenden pn-Uberganges. Der spitze Winkel 7 der dreieckförmigen Dome 6 ist unter optimalen Bedingungen doppelt so groß wie der Grenzwinkel der Totalreflexion des verwendeten Dommatorials gegen Luft für die vom pn-Übergang emittierte Strahlung. Unter diesen Beningungen kann nahezu dio gesamte Strahlung, die in die Dome einfällt, direkt oder nach einmaliger Totalreflexion aus dem Kristall nach außen pbge-1ti aii1t werden.
wird der gesamte, mit einem oder zwei Domen versehene Kristall in Kunststoff eingebettet, so liegt der Grenzwinkel der Totalreflexion gegen Luft für die erzeugte Strahlung zwischen 20° und 30°. Der optimale Winkel 7 an der Spitze des Domes 6 liegt dementsprechend zwischen 400 und 600.
Die Ausgestaltung der zu den Querschnitten der Figuren 1 bis 4 dargestellten. räumlichen Körper kann beliebig sein. Die in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Körper können sich insbesondere giebelartig, senkrecht zur Zeichenebene fortsetzen. Sie können auch insbesondere rotationssymmetrische Figuren darstellen. Außerdem sind aber auch viele andere räumliche Anordnungen der Körper zu den Querschnitten der Figuren 1 bis 4 möglich. So kann beispielsweise Fig.1 eine Pyramide mit einem beliebigen Polygon als Grundfläche darstellen.
Abschließend sei noch einmal darauf hingewiesen, daß mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Dome die Totalreflexions verluste weitgehend ausgeschaltet werden, ähnlich wie bei den vom Stand der Technik her bekannten halbkugelförmig oder parabolförmigen Dome. Die erfindungsgemäße Formgebung der Dome hat aber gegenüber den vom Stand der Technik her bekannten Domen den Vorteil, daB zie unter besserer Ausnutzung des Halbleitermaterials eine wesentlich. höhere Strahlungsdichte an der Oberfläche der Dome gestattet. Diese Vorteile ergeben sich durch die unvergleich bar größere Ausdehnung der Fläche des strahlenden pn-Überganges, ici, den erfindungsgemäßen Domen gegentiber der wesentlich geringeren Fläche der strahlenden pn-Übergangsfläche bei den aus dem Stand der Technik bekannten Domen.
12 Patentansprüche 4 Figuren

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 9 Optische Halbleiterstrahlungsquelle ; mit mindestens einem pn-Ubergang zwischen zwei Bereichen unterschiedlicher Leitfähigkeit, bei welchem mindestens eine äußere Oberfläche domförmig ausgebildet ist, d a d u r c h g e K e n n z e i c h n e t , daß der Dom in dem dem pn-Übergang abgewandten Teil so geformt ist, daß die Tangenten an die Seitenflächen dieses Domteiles sich unter einer spitzen Winkel derart schneiden, daß der Dom im Winkelraum des spitzen Winkels liegt.
2. Optische Halbleiterstrahlungsquelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Dom näherungsweise einen dreieckförmigen Querschnitt autw st.
3. Optische Halbleiterstrahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Dom an seiner Basis einen von ebenen Flächen begrenzten pn-Übergang aufweist.
4. Optische Halbleiterstrahlungsquelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mantellinien des Domes konvex verlaufen.
5. Optische Halbleiterstrahlungsquelle nach einem der Amsprüche 1 oder 4, d a d u r c h g e k e n n.z e i c h n e t , daß dir den pn-Übergang bildende Fläche an den Rändern eine ähnliche Krümmung aufweist wie diejenigen Teile des Domes, die dem pn-Übergang am nächsten liegen.
6. Optische Halbleiterstrahlungsquelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der spitze Winkel des Domquerschnittes ungefähr doppelt so groß wie der Grenzwinkel der Totalreflexion des den Dom bildenden Materials ist.
7. Optische Halbleiterstrahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Dom rotationssymmetrisch ist.
8. Optische Halbleiterstrahlungsquelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,t daß der Dom in dem dernpn-Ubergang am nächsten liegenden Teil einen zylinderförmigen Abschnitt enthält.
9. Optische Halbleiterstrahlungsquelle nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d2ß die Höhe des zylinderförmigen Abschnittes kleiner als 25.% des größten Durchmessers des Domen ist.
10. Optische Halbleiterstrahlungsquelle nach eine der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t. , daß der Dom aus dem gleichen, jedoch undotiertem Halbleitermaterial wie die Zone des dem Dom benachbarten pn-Uberganges besteht.
11. Optische Halbleiterstrahlungsquelle nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der gesamte Halbleiterkristall in Kunststoff eingebettet ist.
12. Optische Halbleiterstrahlungsquelle nach mindestens einem der-Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e daß der Haibleiterkristall spiegelsymmetrisch zur Ebene des pn-Uberganges ausgebildet ist.

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