专利名称：注入式发射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电技术，即，涉及包括发光二极管的有效功率大且紧;奏的半导体注入式发射器(injection emitter )。
技术背景已知各种类型的注入式发射器发光二极管-[S.Nakamum等 人，Appl.Phys丄ett. v.76, 22， 2000]， [S.Nakamura等人，IEEE Jo皿 Select. Topics Quantum Electron. v.7， 188, 2001]， [Y.Narukawa, Optics & Photonics News, 2004年4月，pp.25-29],超辐射发光发射器-[Gerard A. Alfonse等人,JEEE Journal of Quantum Electronics, vol.24， No. 12, 1988年12月，pp.2454-2457], [A.T. Seme,等人，Electronics Letters, 1993, vol.29， No. 10， pp.854-857]。/人一支术本质和要解决的^支术问题的立场来看，在著作[V.I. Shveykin, USA,专利号US 6,429,462 Bl ， 2004年8月6日]中描述 了最接近的注入式非相干发射器的原型，其包括异质结构，该异质 结构包含有源层、多个约束层、多个欧姆接触、以及发射的输出区 (其净皮制成透明的以用于所述发射)，输出区位于有源层的至少一侧上并邻近相应的约束层。所述ilr出区至少为一个并由至少一个子层组成。输出区的特征在于折射率n,、发射的光损耗系数OWq (cm—1)、厚度d。rq(iam),其中，q二l,2，…p是整数，表示从其对 于异质结构的边界开始计算的输出区的各个层的序号。具有与其连接的输出区的异质结构的特征在于有效折射率neff。此外，以满足 以下关系式的方式来选择有效折射率neff和折射率nOTl的值arccos (neff/ norl) S (neffmin/ norl), neffmin大于nmin，其中，tleffmin是对于具有发射输出区的多个异质结构的、作为实际 值的所有可能值Ileff中Ileff的最小值，以及n^是异质结构的约束层 中最小的折射率。注入式发射器原型的基本优点在于可以增大发射器的效率，其通过在发射器原型的容积内以定向外流发射(outflow emission )的 形式形成自发发射的特定部分并接着有效输出该自发发射来实现。 但是，通过由所提出的发射器原型的方案(在该方案中，空间结合 将自发发射捕获到波导管中以及其定向输出泄漏发射形式的输出) 确定的定向自发发射的指示部分限制了效率进一步的增大。发明内容本发明的基础是产生新型的注入式发射器(下文中称作发射 器)，其利用以大量输出光束的形式从有源层发射出来的可控输出 在已知的较宽波长范围内起作用。关于所提出的发射器的技术效果在于，其尺寸在原则上不受限 制(首先是长度)，发射功率显著增大(包括对lmn^发射器面积所 计算的发射功率的显著增大)，将提供给发射器的电能转换为输出 发射的效率(以下称作效率)显著增大并且效率随着流动电流密度 的增大而增大，输出发射提取的水平增大，发射器效率的温度依赖 性降低，焦耳损耗减小，发射的内部光损耗显著减小，寿命和可靠 性通过同时简化发射器制造的技术工艺而增大。根据本发明，通过所提出的注入式发射器实现了上述技术效 果，该注入式发射器包括半导体异质结构，其至少包括有源层、由 至少一个子层和发射器的横向侧面组成的波导层、由至少一个子层和纵向光轴组成的金属化层(metallization layer )。在这种情况下， 在所述异质结构中，在纵向光轴的方向上形成交替的由至少一个子 区组成的发射生成区和由至少一个子区组成的发射输出区组成的 至少一个序列。此外，在上述序列中，在与发射输出侧相对的侧面 上和发射器的横向侧面上的异质结构的外层表面上、以及在发射输 出侧上的异质结构的外层表面上的生成区中，；改置相应的物质，其 折射率远远小于生成区中的异质结构的有效折射率。在输出区和异 质结构的多个层中，存在由至少一个子层组成并高于生成区的外表 面的半导体漏入层。通过相应地相对于生成区的外表面以一定的线性倾斜角q和(X2设置的输出面在纵向光轴方向上的每个输出区的相对侧上限制每个输出区。此外，漏入层的折射率njN与在其中包 括有漏入层的输出区中的异质结构的有效折射率neff之比等于大于 1的#1。所提出的发射器的显著特征在于实现上述技术效果的新的非 显而易见且有效的方式。首先，提出了在两个阶^:中实现乂人发射器 提取发射。在第一阶4殳中，在有源层中生成的自发发射被捕获并沿 形成在发射生成区中的刚性体积波导(rigid volumetric waveguide ) 的纵向光轴传播到两个相反方向上。在第二阶段中，自发且(随着 电流密度的增大)部分一皮强迫的发射进入作为生成区延续部分的输 出区。此外，输出区及其输出面的组分、结构和尺寸被形成为以 具有可控方向性和散度(divergence )的外流发射的形式实现发射输 出。当适当大小的发射器的主要部分(生成区-输出区)相应地分 布在发射器区域上时，可以获得最佳参数。组分和厚度，来实现技术效果。此外，具有高发射反射系数的至少 一个金属化层被置于发射输出侧上的生成区的异质结构的外表面 上。在一些情况下，所述金属化层被直接置于异质结构的波导层上。还通过交替的生成区和输出区的序列具有当在与发射输出侧 相对的侧面上仅部分(不完全)限制异质结构中的发射时的异质结 构的多个层的组分和厚度，来实现技术效果。此外，至少一个具有 高发射反射系数的金属化层被置于从上述侧面开始的异质结构的 外表面上。在一些情况下，所述金属化层被直接置于异质结构的波 导层上。还通过位于纵向光轴方向上的至少两个条状生成子区实现生 成区来实现技术效果。这些条状生成子区(在横向约束区中)之间 的间隔被折射率小于所述生成子区中的异质结构的有效折射率的 相应物质填充。还通过将相应的金属化层置于漏入层的外表面上的输出区上 来实现冲支术效果。还通过以下提出的发射器的输出区的实现来实现技术效果。输出面的线性倾斜角W和(X2被选^奪为绝对值;波此相等且等于 (兀/2)。此外，位于输出区中的漏入层的厚度大于输出区的长度与 从有源层泄漏到漏入层的发射角cp的正切的乘积，其中，角cp被确 定为tleff与Il!N之比的反余弦。实际上，由于在输出面上没有净化光学膜(clarifying optical film )，所以漏入层的厚度被选择为等于输出 区的长度4直的两4咅或三4咅与外;危角(outflow angle )cp的正切的乘禾口、。在下一个方案中，线性角q和a^皮选^奪为绝对值;波此相等且 等于(兀/2)+(cp)。在这种情况下，纵向截面中的发射输出区具有梯形 的形状。为了提高发射器的效率，将净化光学膜涂覆在发射输出区 的输出面上。将发射输出区中漏入层的厚度选择为不'J、于发射输出 区的长度乘以外力t角cp的正切然后除以外流角cp的正4刀平方加1所 得到的值。在另一个方案中，线性角ai和a^皮选^奪为绝对值;波此相等且 等于(兀/4)+(cp/2)。在这种情况下，《从向截面中的发射输出区具有翻 转梯形的形状，并且输出发射通过直接入射到发射输出区上而穿过 发射输出区的外表面。在下一个方案中，线性角w和012#1选#^为绝对值彼此相等且 等于(3兀/4)-(cp/2)。在这种情况下，《从向截面中的專叙出区具有才弟形 的形状，并且输出发射通过直接入射到衬底上而穿过衬底。为了才是 高发射器的效率，将净化光学膜连接到至少在发射输出的位置处的 衬底。还通过发射器包括通过电流并4关连4妄的交替的生成区和输出 区的至少两个序列来实现技术效果。因此，实现了发射功率的增大。还通过发射器包括通过电流串耳关连接的交替的生成区和输出 区的至少两个序列来实现才支术效果。因此，实现了发射功率的增大。术效果。因此，实现了发射的频率含量的相应转换，包括获得白光。还通过发射器包含具有适当形状和相应折射率值的相应的环 氧物质来实现才支术效果。该相应的环氧物质一皮置于发射输出侧上。 因此，实现了输出发射的对应角分布以及发射器效率的提高。本发明的本质在于完整实现新型发射器的产生，其中，基于所 提出的利用外流发射特性的发射输出的新颖有效且非显而易见方 式，该发射器具有以大量光束的形式从有源层发射出来的表面输出。所提出的发射器的新颖且非显而易见的主要部分为沿发射器 的整体长度(原则上不受限制)分布的发射生成区-发射输出区确 保了将发射有效捕获(聚集)到生成区的光波导管中，接着发射以 具有可控方向性和散度的外流发射的形式从输出区有效外流。发射 器的特征在于原则上不受限的尺寸、高发射提取效率、低内部光损 耗、低焦耳损耗、输出面上的低密度发射功率，因此，这确保了第 2页上所列出的才支术效果的实现。
参考图l-14来描述本发明。图1示意性示出了所提出的在蓝宝石衬底上具有交替的条状生 成区和输出区的发射器的纵向截面图，其中，输出区的输出面与生 成区的外表面垂直。图2示意性示出了发射器的俯视图，其中，金属化层从生成区 去除并与横向约束区相邻，在图1中示出了其(发射器的)纵向截 面。图3示意性示出了穿过发射器的生成区的截面图，在图1中示 出了发射器的纵向截面。图4示意性示出了所提出的发射器的纵向截面图，其中，在与 发射输出侧相对的一侧上，金属化层、导电4反和散热基部(base) 连接至异质结构的约束层。图5示意性示出了穿过生成区的发射器的截面图，在图4中示 出了发射器的纵向截面。图6示意性示出了穿过三个生成子区中的一个的所提出的发射 器的纵向截面图，其中，发射输出侧上和与其相对的一侧上的金属 化层直接连接至异质结构的波导层。图7示意性示出了发射器的俯视图，其中，金属化层从生成区 去除，在图6中示出了穿过三个生成子区中的一个的其(发射器的) 乡从向截面。图8示意性示出了穿过生成区的发射器的截面图，在图6中示 出了其(发射器的)纵向截面。图9示意性示出了发射器的俯视图，其中，金属化层连接至发 射输出区，在没有所述金属化层的情况下穿过三个生成子区中的一 个的其(发射器的)皇从向截面与图6中的图l象一致。图10示意性示出了具有通过电流并联连接的交替的生成区和 输出区的三个序列的发射器的俯视图，沿所示序列其(发射器的) 《从向截面与图1中的图示一致。图11-13示意性示出了 (没有金属化层)具有交替的生成区 和发射输出区的所"t是出的发射器的纵向截面，其输出面倾斜并与生 成区的外表面形成线性倾斜角。在图11中-这些角等于(兀/2)+(cp)，在图12中-这些角等于(兀/4)+(cp/2)，在图13中-这些角等于(3兀/4)-(cp/2)。图14示意性示出了穿过发射器的生成区的截面图，该发射器 具有通过电流串耳关连4妻的交替的生成区8(每一个包括两个子区18) 和專IT出区9的四个序列。
具体实施方式
以下，参考附图通过实现本发明的方案来说明本发明。所-提出 的发射器的改进实例不是唯一的，并且假定存在包括波长特定范围的其^也实现，其辨M正反映在一组4又利要求的特4i中。所提出的发射器1 (参见图1-3)包括在基于AlGalnN化合物 的衬底2上的异质结构，其具有相应在发射输出侧上和与其相对的 一侧上(即，在衬底2的一侧上)的InGaN有源层3、波导层4、 5、 以及AlGaN约束层6、 7。具有1.77折射率的不导电蓝宝石(A1203 ) 被用作衬底2。激光发射的波长纟皮选4奪为等于0.45 nm。发射器1 的交替的条状生成区8和输出区9的序列位于所选的纵向光轴的方 向上。在横向侧面上，通过由介电八1203制成的横向约束区10限定 所述区域8和9。在发射输出侧上和在衬底2的一侧上的生成区8组分和厚度值。与生成区8相比，输出区9包括由GaN制成的其他 半导体发射漏入层11,并且其区别特征在于其折射率n!N大于其中 包括有漏入层11的异质结构的有效4斤射率neff。沿纵轴限定lt出区 9的输出面12垂直于生成区的外表面，其中，线性角a!和(X2的绝 对值;波此相等并等于90°。在这种情况下，高于》文大区8的外表面 的输出区9具有长方体的形状。输出区9中和生成区8中的约束层 6的厚度值不相等(参见图1 )。在发射输出侧上的约束层6掺有p 型杂质。金属化子层13沿着发射器1的总长度连接至生成区8中 的约束层6并连接至横向约束区10。由于发射的直接入射，由银制 成的所述金属化子层13具有约等于95%的反射系数。在蓝宝石衬 底2的一侧上，通过将相应的金属化层14连接至n型掺杂的约束层7来形成所谓的"横向接触"(参见图2和图3 )。发射器1的长 度被选择为等于4010 |am。所有生成区8和输出区9的长度被选择 为相应地等于40 (im和10 (im，此夕卜，形成在发射器l中的生成区 8和输出区9的^t量相应等于80和81 (在图1中4又相应示出了 2 个生成区和3个输出区)。使输出区9中的漏入层11的厚度等于4 (am。发射器l的输出发射由160个光束组成，其中， 一半光束沿纵 向光轴指向一个方向，而另一半指向相反方向。通过相应选4奪漏入 层11和异质结构的多个层的组分和厚度值，将外流角cp选择为等 于10°。此外，获得的输出光束的输出面12上的折射角p等于25。。 漏入层11的厚度(4 pm)被选择为约等于发射输出区9的长度乘 以外流角cp的两倍正切而得到的乘积。在这种情况下，通过^吏两叶咅 光束入射到输出面12上而计算得到的发射输出部分约占93%。每 个光束的衍射散度等于7.3°。发射器1的效率估计值(不考虑欧姆 损耗)在70% - 85%的范围内。发射器1的下一个变型例(参见图4-5)与前一个不同之处在 于，代^l去除的蓝宝石衬底2[M. Kneissl等人，IEEE Journ. Select. Topics Quant. Electron., v.7 p.l88， 2001]，由4艮制成的金属4匕层15连 接至约束层7。此外，发射器1与连接的导电板16 (其热膨胀系数 与GaN匹配) 一起i殳置在铜散热基部17上。发射器1的下一个变型例(参见图6-8)与前一个不同之处在 于，每个生成区8由每一个的宽度都为2 的100个条状生成子 区18 (图6-8中仅示出了三个)组成。此外，输出区9的宽度等于 400 pm。实际上才艮据异质结构的总厚度限制生成子区18的冲黄向区 10沿发射器1的总长度填充有介电A1203。金属化子层13 (图7中 未示出)被涂覆在生成子区18和横向约束区10上。所述金属化子 层13包括由银制成的子层。发射器1的另一个区别特征在于金属 化子层13和15直一妄连4妻至波导层4和5。发射器1的下一个变型例(参见图9)与前一个的不同之处在 于，相应的金属化层19连接至输出区9的漏入层11。通过将金属 化层19朝向发射器1的一个一黄向侧面扩展而在漏入层11的外表面 的水平面处使所有输出区9的电流并联连接。此外，通过将金属化 子层13涂覆在发射器1的相对横向侧面上来使所有生成子区18的 电流并联连4妾(图9中未示出生成子区18上的金属化子层13)。发射器1的下一个变型例(参见图10)与图1-3所示的变型例 的不同之处在于，发射器l包括通过电流并联连接的交替的生成区 8和输出区9的300个序列(图中仅示出了三个序列)，其中，使输 出区9的宽度值等于生成区8的宽度并等于2 pm。在发射输出侧上， 将对应的发光磷光体薄膜涂覆在发射器1上，并且在这些薄膜上涂 覆具有接近发射输出区中的异质结构的有效折射率的折射率的适 当形状的环氧树脂(图中未示出)。所提出的发射器1 (参见图11 )与图1-3所示的发射器1的变 型例的不同之处在于，沿《从向光轴限制丰lr出区9的丰IT出面12相对 于生成区8的外表面倾斜，此外，线性角ot,和(X2的绝对值彼此相 等并等于100°。对于这个变型例，发射的每个输出光束小于直角地 落在倾斜的输出面12上并直接从发射器1离开。所提出的发射器1与前一个变型例的不同之处在于具有折射系 数98%的净化光学膜(图中未示出)被涂覆在输出面12上，来自 该输出面的输出发射沿纵向光轴指向 一个所选方向。发射器1的下一个变型例(参见图12)与图4-5所示的发射器 1的变型例的不同之处在于，输出面12朝向生成区8的外表面倾斜， 此外，角ai和a2的绝对值;波此相等并等于50°。对于这个变型例， 输出发射从倾斜的输出面12经受全内反射，改变其方向，并通过 直才妻入射到输出区9的外表面上而穿过输出区9的外表面。发射器1的下一个变型例(参见图13 )与图1-3所示的发射 器1的变型例的不同之处在于，输出面12朝向生成区8的外表面 倾斜，此外，角^和a2的绝对值彼此相等并等于130°。对于这个 变型例，输出发射从倾斜的输出面12经受全内反射，改变其方向， 并通过直接入射到蓝宝石衬底2上而穿过对于发射为透明的蓝宝石2。下一个变型例(参见图14)与图6-8所示的发射器1的变型 例的不同之处在于，其包括通过电流串联连接的交替的生成区8(具 有两个生成子区18)和1#出区9的四个平4亍序列，其〗立于具有三个 相应的金属化层21、 22、 23的由氮化铝制成的散热陶瓷板20上。 输入电流接触(正的)连接至金属化层21，而输出电流接触(负的) 连才妻至金属化层23。工业应用寸生在广泛的应用范围内，将注入式发射器用作高性能的发射固态 源，在特定的较宽波长范围内用作发光二极管和超辐射发光发射 器，包括用于照明的白光发射源。
权利要求
1.一种注入式发射器，包括半导体异质结构，所述半导体异质结构至少包括有源层、由至少一个子层和所述发射器的横向侧面组成的波导层、由至少一个子层和纵向光轴组成的金属化层，其中，在所述异质结构中，在所述纵向光轴的方向上形成交替的由至少一个子区组成的发射生成区和由至少一个子区组成的发射输出区的至少一个序列，在上述序列中，在与发射输出侧相对的侧面上和在所述发射器的横向侧面上的所述异质结构的外层表面上、以及在所述发射输出侧上的所述异质结构的外层表面上的所述生成区中，放置相应的物质，所述物质的折射率远远小于所述生成区中的所述异质结构的有效折射率，在所述输出区和所述异质结构的多个层中，存在由至少一个子层组成并高于所述生成区的外表面的半导体漏入层，通过相应地相对于所述生成区的外表面以一定的线性倾斜角α1和α2设置的输出面在所述纵向光轴方向上的每个输出区的相对侧上限制每个输出区，所述漏入层的折射率nIN与其中包括有所述漏入层的所述输出区中的所述异质结构的有效折射率neff之比等于大于1的数。
2. 根据权利要求1所述的注入式发射器，其中，所述发射输出侧 上的所述生成区中的所述异质结构具有当4又部分限制所述发 射输出侧上的所述生成区中的所述异质结构中的发射时的层 的组分和厚度，同时具有高发射反射系数的至少 一个所述金属 化层被置于所述发射输出侧上的所述生成区的所述异质结构 的外表面上。
3. 根据权利要求2所述的注入式发射器，其中，所述金属化层被 置于所述异质结构的波导层上。
4. 根据权利要求1所述的注入式发射器，其中，交替的生成区和仅部分限制所述异质结构中的发射时的异质结构的多个层的 组分和厚度，至少一个具有高发射反射系数的所述金属化层被 置于/人以上所述侧面开始的所述异质结构的外表面上。
5. 根据权利要求4所述的注入式发射器，其中，所述金属化层被 置于所述异质结构的所述波导层上。
6.根据权利要求1所述的注入式发射器，其中，所述生成区由位 于所述纵向光轴方向上的至少两个条状生成子区组成，并且所 述至少两个条状生成子区之间的间隔净皮折射率小于所述生成 子区中的所述异质结构的有效折射率的相应物质填充。
7.根据权利要求1所述的注入式发射器，其中，相应的金属化层 -故置于所述漏入层的外表面上的所述输出区上。
8.根据权利要求1所述的注入式发射器，其中，所述线性角ai 和a2的绝对佳 波此相等且等于(兀/2),位于所述llT出区中的 所述漏入层的厚度大于所述输出区的长度与从所述有源层泄 漏到所述漏入层的发射角cp的正切的乘积，其中，所述角cp 一皮确定为neff与n^之比的反余弦。
9.根据权利要求1所述的注入式发射器，其中，所述线性角ai 和a2的绝对值彼此相等且等于(兀/"+(cp)。
10. 根据权利要求1所述的注入式发射器，其中，所述线性角ai和a2的绝对值彼此相等且等于(兀A4)+(cp/2)。
11. 根据权利要求1所述的注入式发射器，其中，所述线性角ai 和a2的绝对值彼此相等且等于(3兀/4) - (cp/2)。
12. 根据权利要求1所述的注入式发射器，其中，所述注入式发射 器具有通过电流并联连4妄的交替的生成区和IIT出区的至少两 个所述序列。
13. 根据权利要求1所述的注入式发射器，其中，所述注入式发射 器具有通过电流串耳关连4妾的交^齐的生成区和l叙出区的至少两 个所述序列。
14. 根据权利要求1所述的注入式发射器，其中，所述注入式发射 器在所述发射输出侧上包含相应的发光物质。
15. 根据权利要求1所述的注入式发射器，其中，所述注入式发射 器在所述发射输出侧上包含相应的环氧物质，所述相应的环氧 物质具有相应的形 一犬和相应的4斤射率^f直。
全文摘要
注入式发射器(发光二极管、超辐射发光发射器)以较大波长范围内的高效固态发射源的形式使用以及用于更宽的应用领域，包括使用设置有发光二极管的白光发射器进行普通照明。该发明还涉及超功率高效率且可靠的注入式表面发射激光器，其以多个输出光束的形式生成发射，并且其特征在于用于通过其外表面发射辐射的新颖和高效的方法。
文档编号H01S5/32GK101233623SQ200680027588
公开日2008年7月30日 申请日期2006年7月7日 优先权日2005年8月5日
发明者法西利·艾凡诺维奇·夏维金 申请人:通用纳米光学有限公司