DE2916956A1

DE2916956A1 - Lichtemittierende halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE2916956A1
Application number: DE19792916956
Authority: DE
Inventors: Kunio Aiki; Ryoichi Ito; Yutaka Takeda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-04-28
Filing date: 1979-04-26
Publication date: 1979-10-31
Also published as: NL177265C; CA1133616A; FR2424685A1; FR2424685B1; DE2916956C2; GB2020096B; JPS5746235B2; JPS54142988A; NL7903361A; NL177265B; GB2020096A; US4270134A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein lichtemittierendes Halbleiterbauteil. Sie richtet sich insbesondere auf ein in zwei Richtungen Licht emittierendes Halbleiterbauteil, etwa einen Halbleiter-Laser.

Will man das in der einen Richtung durch ein lichtemittierendes Halbleiterelement, wie einen Halbleiter-Laser, ausgesandte Licht zur optischen Nachrichtenübertragung verwenden, so wird in dem Bauteil ein Fenster ausgebildet, so daß das vom im Bauteil befindlichen lichtemittierenden Element herrührende Licht austreten und nach Durchlaufen eines Linsensystems weiter verwendet werden kann. Dabei wird das von der anderen Fläche emittierte Licht oftmals zur überwachung der Lichtabgabe des lichtemittierenden Halbleiterelements verwendet. Dieses Licht wird beispielsweise über eine optische Faser oder einen Glasstab abgenommen oder es wird direkt auf ein Lichtempfängerelement gegeben, von dem das abgegebene Licht in Form eines elektrischen Signals abgenommen wird.

Fig. 1 zeigt im Schnitt schematisch ein herkömmliches lichtemittierendes Halbleiterbauteil. In Fig. 1 bezeichnen 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7, einen Elementkörper, einen Lichtleitstab, ein Lichtfenster, ein lichtemittierendes Halbleiterelement, reflektiertes Licht, emittiertes Licht und ein Befestigungselement für den Lichtleitstab.

Der Aufbau, bei welchem die Endfläche eines Lichtleiters der lichtemittierenden Fläche eines lichtemittierenden Halbleiterelements, wie in Fig. 1, zugekehrt ist, ist beispielsweise in der US-PS 4 097 891 beschrieben.

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Bei einem solchen herkömmlichen Aufbau wird, wenn etwa ein Glasstab als Lichtleiter zur überwachung verwendet wird, Laser-Licht an der Endfläche des Glasstabs reflektiert und in entgegengesetzte Richtung, d.h. in Frontrichtung der Spaltfläche gesandt. Infolgedessen ist dem an der Vorderseite direkt oder über das Fenster abgenommenen Licht dieses reflektierte Licht überlagert und es ergibt sich ein Interferenzmuster.

Die auf ein solches Interferenzmuster zurückgehende Ungleichförmigkeit des ausgegebenen Lichts führt in die optische Nachrichtenübertragung eine Störung ein. Wenn ferner ein solches herkömmliches Bauteil für einen anderen Zweck verwendet wird, beispielsweise wenn es als Lichtquelle für das Schreiben oder Lesen durch Aufbringen von Laser-Licht auf eine Aufzeichnungsschicht verwendet wird, verursacht obige Ungleichförmigkeit Fehler.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile herkömmlicher Technik zu vermeiden.

Hierzu schafft die Erfindung eine lichtemittierende Halbleitervorrichtung, welche ein Licht in zwei Richtungen emittierendes Halbleiterelement, das in einem gewünschten Bauteilelement so angeordnet ist, daß sich eine der lichtemittierenden Flächen des Halbleiterelements in der Umgebung einer der Endflächen eines Kühlkörpers befindet, und einen Lichtleiter, der so angeordnet ist, daß er der anderen lichtemittierenden Fläche des Halbleiterelements zugekehrt ist und Licht von dieser anderen lichtemittierenden Fläche nach außen leitet, umfaßt, wobei die der anderen lichtemittierenden Fläche des Halbleiterelements zugekehrte Endfläche des Lichtleiters eine Fläche enthält, die bezüglich der optischen Achse des durch das Halbleiterelement emittierten Lichts geneigt ist.

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Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist bzw„..sind

Fig. 1 eine Schnittansicht eines herkömmlichen lichtemittierenden' Halbleiterbauteils ,

Fig. 2 Schnittansichten von Ausführungsformen der Erbxs 10 f_{indun? und}

Fig. 11 Kurven, die die Muster des ausgegebenen Lichts für Halbleiter-Laser in verschiedenen Bauteilen zeigen.

Gemäß der Erfindung ist die Endfläche eines Lichtleitstabs, die in der Umgebung eines lichtemittierenden Halbleiterelements, wie etwa eines Halbleiter-Laserelements, liegt, so eingerichtet ·, daß sie eine Ebene aufweist, welche eine wesentliche Neigung bezüglich der optischen Achse des vom Halbleiterelement ausgesandten Lichts hat.

Fig. 2 Bt eine Schnittansicht, welche eine Ausführungsform der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung zeigt. Gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnen gleiche Teile. Ein Elementkörper 1 besteht aus einem metallischen Werkstoff, wie etwa Kupfer, Kovar oder Messing. 2 bezeichnet einen Lichtleiter, etwa einen Glasstab, einen Quarzstab oder einen Epoxyharzstab. Ein Fenster 3, durch das das Licht nach außen gelangt, besteht beispielsweise aus Glas, Quarz oder Kunstharz. 4 bezeichnet ein lichtemittierendes Halbleiterelement, welches Licht in zwei Richtungen emittiert, beispielsweise ein Halbleiter-Laserelement. 5 bezeichnet Licht, das auf der Endfläche des Lichtleitstabs reflektiert worden ist, und 6 bezeichnet Licht,das vom lichtemittierenden Halbleiterelement ausge-

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sandt worden ist. Ein Element 7 zur Befestigung des Stabs aus Glas oder dergleichen ist durch einen bekannten Kleber, etwa einen Epoxyharz-Kleber, gebildet. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform sind Elektroden in üblicher Weise aus dem lichtemittierenden Halbleiterelement herausgeführt. Beispielsweise ist wie bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform eine Ausleitelektrode als die eine der Elektroden in den Elementkörper durch einen isolierenden Werkstoff 9, wie etwa Glas, hindurch eingeführt und mit dem Halbleiterelement über einen Anschlußdraht verbunden. Bei Verwendung eines Elementkörpers aus Metall wird dieser als die andere Elektrode verwendet. Natürlich stellt diese Art der Elektrodenausführung keine Einschränkung der Erfindung dar.

Das lichtemittierende Halbleiterelement wird auf einem zweckmäßigen Kühlkörper angeordnet. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist der Elementkörper aus Kupfer ausgeführt und darauf ein Vorsprung ausgebildet, der als Kühlkörper wirkt. Natürlich kann dieser Aufbau auch so abgewandelt sein, daß ein als Kühlkörper dienender Block getrennt ausgebildet ist, das lichtemittierende Halbleiterelement auf dem so ausgebildeten Kühlkörper angeordnet wird und der Kühlkörper dann am Elementkörper angebracht wird. In diesem Fall kann der Kühlkörper aus Keramikwerkstoff ausgebildet sein. Das lichtemittierende Halbleiterelement wird so auf dem Kühlkörper angeordnet, daß die eine der lichtemittierenden Flächen des Halbleiterelements in der Umgebung der einen der Endflächen des Kühlkörpers zu liegen kommt. Wenn die lichtemittierende Fläche des Halbleiterelements bezüglich der Endfläche des Kühlkörpers um 5 \xm oder mehr zurückversetzt ist, kommt es zu einer Reflexion von emittiertem Licht an der Oberseite des Kühlkörpers, dieses reflektierte Licht beeinflußt das emittierte Licht und man erhält keine guten Resultate. In diesem Zu-

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sammenhang kann das Halbleiterelement so angeordnet sein, daß die lichtemittierende Fläche geringfügig vor der Endfläche des Kühlkörpers liegt. Der übrige Aufbau kann derselbe wie bei einer herkömmlichen Anordnung sein. Beispielsweise wird ein Epoxyharzkleber als Befestigungselement 7 des Lichtleiters 2 verwendet. 8 bezeichnet einen -Elektrodenausleitabschnitt für das lichtemittierende Halbleiterelement 4. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist die Endfläche des den Lichtleiter bildenden Glasstabes schräg poliert.

Die beabsichtigten Wirkungen der Erfindung lassen sich durch Neigung der Endfläche des Lichtleiters erreichen, wobei bevorzugt wird, daß der Neigungswinkel der Endfläche bezüglich der optischen Achse des Laserstrahls wenigstens 1° beträgt. Insbesondere wird bevorzugt, daß der Neigungswinkel der Endfläche größer als 1/2 des Ausbreitungswinkels des Laserstrahlbündels ist und daß der Lichtleiter so angeordnet ist, daß diese geneigte Endfläche dem Kühlkörper zugekehrt ist. Wenn dabei der Scheitelwinkel zu klein ist, ist die Festigkeit des als Lichtleiter dienenden Glasstabes vermindert. Dementsprechend erweist sich ein Scheitelwinkel von bis zu ungefähr 30° als praktisch und es ist nicht notwendig, den Scheitelwinkel allzu klein zu wählen.

Die Fign. 3 bis 10 sind Schnittansichten weiterer Ausführungsformen der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung. In diesen Figuren ist hauptsächlich die Beziehung zwischen dem lichtemittierenden Halbleiterelement und dem Lichtleiter dargestellt, und der Aufbau anderer Teile, wie des Elementkörpers, kann auf die verschiedensten Weisen geändert oder abgewandelt sein.

In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist die Endfläche des Glasstabs, welche üblicherweise eine Spiegelfläche ist, aufgerauht, so daß sich feine Konvexitäten und Konkavitäten ergeben. Dementsprechend findet

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bei Auftreffen des Laserstrahlbündels eine Streureflexion statt. Bei dieser Ausführungsform enthält also die Endfläche des Lichtleiters eine Fläche mit Konvexitäten und Konkavitäten als die Fläche, welche bezüglich der optisehen Achse des vom lichtemittierenden Halbleiterelement ausgesandten Lichts geneigt ist. Eine polierte Fläche, die unter Verwendung eines Poliermittels mit einer mittleren Korngröße von 3 bis 100 μΐη hergestellt ist, eignet sich besonders als die aufgerauhte Endfläche. In der in Fia, dargestellten Ausführungsform sind feine Konvexitäten und Konkavitäten auf der Endfläche durch Polieren mit einem Aluminiumoxid-Poliermittel einer mittleren Korngröße von 13 μΐΐι hergestellt.

Wenn die maximale Rauhigkeit (der Abstand zwischen dem höchsten Punkt und dem niedrigsten Punkt der aufgerauhten Oberfläche) wenigstens 1 um beträgt, lassen sich die Wirkungen der Erfindung in ausreichendem Maße erreichen. Üblicherweise wird die maximale Rauhigkeit auf 1 bis 3 μΐη eingestellt.

In der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist die Spitze des Glasstabs in eine obere und untere geneigte Fläche schleifpoliert.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist die Spitze des Glasstabs in eine konische Form poliert. Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist die Endfläche des Glasstabs zu einer polygonalen Form schleifpoliert.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform ist die Spitze des Glasstabs halbzylindrisch geformt. Ebenso kann die Spitze auch halbkugelförmig geformt sein.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform ist die Spitze des Glasstabs zu einer verzerrten Kugel geformt.

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Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform ist eine konkave Fläche an der Spitze eines Glasstabs ausgebildet. Bei jeder der davor genannten Ausfuhrungsformen kann der konvexe Teil an der Spitze, wie bei der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform, auch konkav sein. Bei der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform ist ein getrennt vom Elementkörper hergestellter Kupferblock als Kühlkörper verwendet.

Bei den vorstehenden Ausführungsformen liegt die Achse des Glasstabs parallel zur optischen Achse des Laserstrahls.

Bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform jedoch ist der Glasstab so angeordnet, daß seine Achse bezüglich der optischen Achse des Laserstrahls geneigt ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Endfläche des Glasstabs an sich vertikal zu seiner Achse, es können jedoch im wesentlichen die gleichen Wirkungen wie bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform erreicht werden. Wenn der Glasstab in der in Fig. 10 gezeigten Weise geneigt ist, kann seine Endfläche in verschiedene Formen, wie sie in den Fign. 2 bis 9 gezeigt sind, bearbeitet sein.

Von den verschiedenen vorgenannten Formen der Endfläche des Lichtleiters haben die in den Fign. 2 und 3 gezeigten den höchsten praktischen Wert. Es wird also für die Praxis bevorzugt, daß eine zur optischen Achse des Laserstrahls geneigte ebene Fläche, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, oder eine polierte Fläche mit feinen Konvexitäten und Konkavitäten, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, auf dem Lichtleiter ausgebildet wird, weil die Herstellung solcher Flächen sehr einfach ist und ihre Herstellungskosten sich vermindern lassen. Fign. 11 und 12 zeigen Meßergebnisse hinsichtlich der Intensität des Laserstrahls in Richtung senkrecht zum pnübergang eines Halbleiter-Laserelements, wobei die Abszisse den Strahlwinkel und die Ordinate die relative Intensität angibt. Jede Kurve zeigt den Relativwert der Intensität

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des Laserstrahls in Abhängigkeit vom Strahlwinkel, wobei aber die Intensitäten der einzelnen Kurven nicht miteinander vergleichbar sind.

Kurve 100 der Fig. 11 zeigt das Muster des ausgegebenen Lichts, wie es beobachtet wird, wenn der Laserstrahl nur durch ein Glasfenster abgenommen wird und ein Glasstab oder dergleichen nicht vorgesehen ist. Kurve 50 zeigt das ausgegebene Lichtmuster, wie es beobachtet wird, wenn ein Halbleiter-Laser in einem Bauelement angeordnet ist, welches den in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Aufbau hat. In diesem Fall sind, wie in Fig. 11 gezeigt, viele Störungen auf dem ausgegebenen Lichtmuster zu sehen. Kurve 101 zeigt das ausgegebene Lichtmuster, das beobachtet wird, wenn ein Halbleiter-Laser in einem Bauteil des in Fig. 2 gezeigten Aufbaus angeordnet ist, und Kurve 102 zeigt das ausgegebene Lichtmuster, das beobachtet wird, wenn ein Halbleiter-Laser in einem Bauteil des in Fig. 3 gezeigten Aufbaus angeordnet ist. Keines der durch die Kurven 101 und 102 wiedergegebene Muster enthält Störungen und beide Muster sind demjenigen vergleichbar, das man erhält, wenn kein Glasstab vorgesehen ist.

Fig. 12 zeigt weitere Beispiele von ausgegebenen Mustern. Kurve 100 zeigt das ausgegebene Lichtmuster, wie es beobachtet wird, wenn, wie im Falle der Kurve 100 der Fig. 11, ein Glasstab oder dergleichen nicht vorgesehen ist. Kurve 51 zeigt das ausgegebene Lichtmuster, das beobachtet wird, wenn, wie- im Falle der Kurve 50 der Fig. 11, ein Halbleiter-Laser in einem herkömmlichen Bauteil des in Fig. 1 gezeigten Aufbaus angeordnet ist. Kurve 103 zeigt das ausgegebene Lichtmuster, das beobachtet wird, wenn die Spitze des Glasstabs, wie in Fig. 7 gezeigt, kugelförmig ausgebildet ist. In diesem Fall wird keine Störung im ausgegebenen Muster beobachtet, und man sieht, daß die beabsichtigte viirkuncx der Erfindung in ausreichendem Maße erreicht wird.

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Es hat sich bestätigt, daß bei jeder der vorstehenden Ausführungsformen der Erfindung die Intensität des Strahls, welcher den überwachungslichtleiter durchlaufen hat, für die Überwachung ausreichend hoch ist. Wie sich aus der vorstehenden Darstellung ohne weiteres ergibt, läßt sich gemäß der Erfindung eine einen Lichtleiter für überwachungszwecke aufweisende lichtemittierende Halbleitervorrichtung vorsehen, bei welcher eine Störung im ausgegebenen Licht durch sehr einfache Mittel wirksam verhindert werden kann.

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Claims

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PATENTi.KWÄLTE

SCHIFF ν. FÜNER STRBhI. SCHÜEEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÜNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-8OOO MÜNCHEN 95

HITACHI, LTD. 26. April 19 79

DEA-5884

Lichtemittierende Halbleitervorrichtung

PATENTANSPRÜCHE

1,i Lichtemittierende Halbleitervorrichtung mit einem Licht in zwei Richtungen emittierenden Halbleiterelement, welches in einem geeigneten Bauelement so angeordnet ist, daß sich eine lichtemittierende Fläche des Halbleiterelements in der Umgebung eines Kühlkörpers befindet, und mit einem Lichtleiter, der so angeordnet ist, daß er der anderen lichtemittierenden Fläche des Halbleiterelements zugekehrt ist und von der anderen lichtemittierenden Fläche kommendes Licht nach außen leitet, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die der anderen lichtemittierenden

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Fläche des Halbleiterelements (4) zugekehrte Endfläche des Lichtleiters (2) eine Fläche enthält, die bezüglich der optischen Achse des vom Halbleiterelement emittierten Lichts eine wesentliche Neigung hat. 5
2. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die der anderen lichtemittierenden Fläche des Halbleiterelements (4) zugekehrte Endfläche des Lichtleiters (2) eine zur optischen Achse des vom Halbleiterelement emittierten Lichts wesentlich geneigte ebene Fläche aufweist.
3. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die der anderen lichtemittierenden Fläche des Halbleiterelements (4) zugekehrte Endfläche des Lichtleiters (2) wenigstens zwei zur optischen Achse des vom Halbleiterelement emittierten Lichts geneigte ebene Flächen aufweist.
4. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die der anderen lichtemittierenden Fläche des Halbleiterelements (4) zugekehrte Endfläche des Lichtleiters (2) keilförmig ist.

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5- Lichtemittierende Halbleitervorrichtunc nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η ζ e lehne t , daß die der anderen lichtemittierenden Fläche des Halbleiterelements (4) zugekehrte Endfläche des Lichtleiters (2) einen konkaven Abschnitt aufweist, der wenigstens zwei zur optischen Achse des vom Halbleiterelement emittierten Lichts geneigte Ebenen enthält.
6. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach An-Spruch 1 oder 2 / dadurch gekennzeichnet, daß die der anderen lichtemittierenden Fläche des Halbleiterelements (4) zugekehrte Endfläche des Lichtleiters (2) feine Konvexitäten und Konkavitäten aufweist.
7. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die der anderen lichtemittierenden Fläche des Halbleiterelements (4) zugekehrte Endfläche des Lichtleiters (2) eine gekrümmte Fläche enthält.
8. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7/ dadurch gekennzeichnet, daß die der anderen lichtemittierenden Fläche des Halbleiterelements (4) zugekehrte Endfläche des Lichtleiters (2) einen konkaven Abschnitt mit einer gekrümmten Fläche aufweist.

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9. Lichtemittierende Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Lichtleiter (2) stabförmig und im Bauteil schräg zur optischen Achse des vom Halbleiterelement (4) emittierten Lichts angeordnet ist, und daß die der anderen lichtemittierenden Fläche des Halbleiterelements zugekehrte Endfläche des Lichtleiters bezüglich der optischen Achse des vom Halbleiterelement emittierten Lichts geneigt ist.

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