МАССИВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ARRAY OF SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING ELEMENTS AND METHOD OF MAKING SAID ELEMENT

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится к массиву полупроводниковых светоизлучающих элементов и к способу его изготовления.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Традиционно были разработаны светоизлучающие элементы, в которых используется световое излучение из полупроводниковых стержней (см. патентную литературу 1). Например, светоизлучающий элемент, раскрытый в патентной литературе 1, является светоизлучающим элементом, содержащим полупроводниковые стержни, имеющие p-n-переходы и сформированные на полупроводниковой подложке, с одним электродом, расположенным на подложке, и еще одним электродом, расположенным на стержне, и полупроводниковыми стержнями, равномерно разнесенными друг от друга. Этот светоизлучающий элемент излучает свет в направлении либо перпендикулярно, либо параллельно поверхности подложки.
[0003] Известен также массив полупроводниковых светоизлучающих элементов, включающий в себя светоизлучающие элементы и использующий световое излучение из полупроводниковых стержней для испускания множественных цветов света (см. патентную литературу 2 и 3). Например, патентная литература 2 предлагает светоизлучающий элемент, содержащий структуру с множественными квантовыми ямами, сформированную многократным (например, три раза) нанесением комбинации слоя ям и запирающего слоя, чтобы за счет этого излучать многоцветный свет, регулируя толщину каждого слоя ям. Также предложено, чтобы для выбора длины волны света излучаемый свет с множественными цветами проходил через прозрачную пленку (или избирательный по длине волны фильтр), которая(ый) пропускает только единственную длину волны желаемого цвета. Патентная литература 3 раскрывает светоизлучающий элемент, содержащий два или более активных слоя, причем каждый активный слой имеет пару электродов. Этот светоизлучающий элемент излучает многоцветный свет при приложении заданного напряжения к каждой паре электродов, тем самым вызывающем световое излучение из каждого активного слоя.
[0004] Селективная газофазная эпитаксия металлоорганических соединений (Selective-Area MOVPE) известна как одна из важных технологий формирования полупроводниковых стержней в форме наностолбиков (см. непатентную литературу 1 и 2). MOVPE - это способ выращивания полупроводниковых кристаллов селективно на определенных обнаженных областях полупроводниковой кристаллической подложки с помощью MOVPE. В непатентной литературе 1 и 2 сообщалось, что толщиной и/или высотой выращиваемых полупроводниковых кристаллов можно управлять, регулируя обнаженные области полупроводниковой кристаллической подложки. Например, высота выращенных стержней (или наностолбиков) становится большей по мере уменьшения диаметра обнаженной области, в то время как стержни становятся более высокими, когда уменьшен интервал (или шаг) между обнаженными областями. Само собой разумеется, стержни становятся более толстыми по мере увеличения площади обнаженной части.
[0005] Между тем, сообщили о технологиях по изготовлению светоизлучающих с поверхности элементов, используемых для излучения множественных длин волн (см. непатентную литературу 3 и 4). Эти документы касаются технологий по выращиванию тонкопленочной структуры с квантовыми ямами GaInAs/GaAs для светоизлучающего с поверхности элемента. При этой технологии множество линейных и имеющих выпуклую форму ступенек (которые называют "мезаструктурами") формируют параллельно друг другу на поверхности (001) подложки из GaAs. Впоследствии, на подложке размещают многослойную тонкую пленку методом MOCVD (химического осаждения металлоорганических соединений из паровой фазы). Во время этого процесса тонкая пленка размещается довольно толсто на верхней поверхности мезаструктур, в то время как на поверхности «долины» между соседними мезаструктурами размещается более тонкая пленка.
[0006] Толщиной тонкой пленки, расположенной на поверхности долины между мезаструктурами, можно управлять в зависимости от таких факторов (которые также называют “параметрами управления”), как ширина мезаструктур, глубина (или высота) ступенек, интервал между соседними мезаструктурами и т.п. Другими словами, распределение толщины пленки, сформированной тонкопленочной эпитаксией MOCVD, определяется этими параметрами управления, и поэтому можно управлять длиной волны света, излучаемого из изготовленного этим способом светоизлучающего элемента. Надлежащее управление толщиной тонкой пленки (или длиной волны света, излучаемого из светоизлучающего элемента), требует точного конструирования и изготовления мезаструктур.
Патентная литература 1: JP 4-212489 A
Патентная литература 2: JP 2003-347585 A
Патентная литература 3: JP 7-183576 A
Непатентная литература 1: Noborisaka, J. et al., “Catalyst-free growth of GaAs nanowires by selective-area metal organic vapor-phase epitaxy”, Applied Physics Letters, vol. 86, p. 213102-1 - 213102-3 (2005).
Непатентная литература 2: Yang, L. et al., “Size-dependent photoluminescence of hexagonal nanopillars with single InGaAs/GaAs quantum wells fabricated by selective-area metal organic vapor phase epitaxy”, Applied Physics Letters, vol. 89, p. 203110-1- 203110-3 (2006).
Непатентная литература 3: M. Arai, et al., “Multiple-wavelength GaInAs-GaAs vertical cavity surface emitting laser array with extended wavelength span”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 9, No. 5, (2003), p. 1367-1373.
Непатентная литература 4: A. Onomura, et al., “Densely integrated multiple-wavelength vertical cavity surface-emitting laser array”, Japanese Journal of Applied Physics, vol., 42 (2003), p. L529-L531.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая проблема
[0007] Множество светоизлучающих элементов, которые излучают лучи света с различными длинами волн и сформированы на одной и той же подложке, может быть применимым в системе связи, называемой системой с мультиплексированием по длине волны (WDM), что является выгодным способом связи на больших расстояниях. Поэтому желательно обеспечить удобный способ изготовления полупроводникового светоизлучающего элемента с простой структурой, включая множество сформированных на одной и той же подложке светоизлучающих элементов для излучения света различных длин волн.
[0008] Однако проблема с традиционными технологиями состоит в том, что необходимы дополнительные технологические этапы для обеспечения отдельных элементов после выращивания полупроводниковых кристаллов с тем, чтобы изготовить полупроводниковые светоизлучающие с поверхности элементы с множественными длинами волн на той же самой подложке. В частности, полупроводниковые светоизлучающие элементы, раскрытые в патентной литературе 2, излучают свет множественных длин волн из соответствующих частей полупроводникового кристалла, а необходимая длина волны извлекается посредством избирательного по длине волны фильтра. Таким образом, должен быть введен этап формирования избирательного по длине волны фильтра. Точно так же, полупроводниковые светоизлучающие элементы, раскрытые в патентной литературе 3, включают в себя наслоение частей кристаллической пленки, соответствующих множественным длинам волн светового излучения, так что для извлечения света соответствующих длин волн отдельно и независимо необходим этап формирования многоступенчатой электродной структуры, причем каждая ступенька обладает различными глубинами травления полупроводниковой пленки.
[0009] Далее, если в технологиях, раскрытых в непатентной литературе 2 и 3, сформированные на подложке мезаструктуры не расположены клиновидным образом при заданной ширине вдоль продольного направления, или расположены иначе, например, будучи пересекающимися друг с другом, изогнутыми или расположенными концентрически, то сталкиваются с трудностями при управлении толщиной пленки во время выращивания тонкой пленки. Поэтому ограничена свобода конструирования светоизлучающего с поверхности элемента с множественными длинами волн.
[0010] Интервал длины волны между светоизлучающими элементами, используемыми для связи с грубым WDM по полосе пропускания 1 мкм, составляет 10 нм. Если согласно раскрытым в непатентной литературе 2 и 3 технологиям желательно иметь 10-нанометровый интервал длины волны между светоизлучающими элементами, то интервал между самими элементами должен составлять по меньшей мере 500 мкм. Поэтому, когда к массиву светоизлучающих элементов оптически подсоединяют многомодовое оптическое волокно (с диаметром сердцевины от 50 мкм до 65 мкм), с соответствующими светоизлучающими элементами, имеющими различные длины волн, должны быть соединены различные оптические волокна.
Решение проблемы
[0011] Авторы настоящего изобретения изучили способ изготовления полупроводникового светоизлучающего с поверхности элемента (или элемента, излучающего с поверхности свет множественных длин волн), включая множество светоизлучающих элементов, которые излучают свет различных длин волн и сформированы на той же самой подложке методом селективной MOVPE или т.п. В результате этого был найден способ изготовления излучающего с поверхности свет множественных длин волн элемента, обладающий большей свободой конструирования, и таким образом создано настоящее изобретение.
[0012] Конкретно, первый вариант воплощения настоящего изобретения относится к массиву полупроводниковых светоизлучающих элементов.
(1) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов, включающий в себя:
полупроводниковую кристаллическую подложку;
изолирующую пленку, расположенную на поверхности подложки, причем изолирующая пленка разделена на две или более области, каждая из которых имеет два или более отверстия, обнажающие поверхность подложки;
полупроводниковые стержни, простирающиеся вверх от поверхности подложки через отверстия, причем каждый из полупроводниковых стержней имеет наслоенные в направлении его простирания слой полупроводника n-типа и слой полупроводника p-типа, тем самым обеспечивающие p-n-переход;
первый электрод, соединенный с полупроводниковой кристаллической подложкой, и
второй электрод, соединенный с верхними частями полупроводниковых стержней,
при этом высоты полупроводниковых стержней, измеренные от поверхности подложки, меняются среди упомянутых двух или более областей.
Здесь отмечается, что порядок наслоения слоя полупроводника n-типа и слоя полупроводника p-типа, формируемых в полупроводниковых стержнях, может представлять собой либо p-тип с последующим n-типом, либо n-тип с последующим p-типом, если смотреть от подложки.
(2) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом полупроводниковые стержни имеют p-n-гетеропереход.
(3) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом полупроводниковые стержни имеют структуру с квантовой ямой.
(4) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом средняя площадь отверстий меняется среди упомянутых двух или более областей.
(5) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом среднее расстояние между центрами отверстий меняется среди упомянутых двух или более областей.
2
3
(6) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом полупроводниковая кристаллическая подложка выполнена из полупроводникового материала, выбранного из группы, состоящей из GaAs, InP, Si, InAs, GaN, SiC и AlO, и поверхность подложки с расположенной на ней изолирующей пленкой является поверхностью с кристаллографической осью (111).
(7) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом полупроводниковые стержни сформированы химическим осаждением металлоорганических соединений из паровой фазы (MOCVD) или молекулярно-пучковой эпитаксией (MBE).
(8) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом первый электрод является электродом n-типа, а второй электрод - прозрачным электродом p-типа.
(9) Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), при этом первый электрод является электродом p-типа, а второй электрод - прозрачным электродом n-типа.
[0013] Второй вариант воплощения настоящего изобретения относится к способу изготовления массива полупроводниковых светоизлучающих элементов.
(10) Способ изготовления массива полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), включающий в себя этапы:
A) приготовление полупроводниковой кристаллической подложки, имеющей поверхность с кристаллографической осью (111), покрытую изолирующей пленкой, при этом изолирующая пленка разделена на две или более области, и каждая из этих двух или более областей имеет отверстие, обнажающее поверхность с кристаллографической осью (111); и
B) формирование полупроводниковых стержней, простирающихся вверх через отверстия от поверхности полупроводниковой кристаллической подложки, покрытой изолирующей пленкой, посредством химического осаждения металлоорганических соединений из паровой фазы или молекулярно-пучковой эпитаксии, причем этот этап дополнительно включает в себя этапы формирования слоя полупроводника n-типа и слоя полупроводника p-типа.
На этапе B) не накладывается никакого ограничения на порядок формирования слоя полупроводника n-типа и формирования слоя полупроводника p-типа, и слой полупроводника p-типа может быть сформирован после слоя полупроводника n-типа, или же слой полупроводника n-типа может быть сформирован после слоя полупроводника p-типа.
[0014] Третий вариант воплощения настоящего изобретения относится к оптическому передатчику.
(11) Оптический передатчик, включающий в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1) и оптический волновод, расположенный в каждой из упомянутых двух или более областей, для приема света из полупроводниковых стержней, расположенных в этой области.
(12) Оптический передатчик, включающий в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1) и оптический волновод для приема света из полупроводниковых стержней, расположенных в каждой из упомянутых двух или более областей.
(13) Оптический передатчик, включающий в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), оптический мультиплексор для мультиплексирования света из полупроводниковых стержней, расположенных в каждой из упомянутых двух или более областей, и оптический волновод для приема мультиплексированного света из оптического мультиплексора.
[0015] Четвертый вариант воплощения согласно настоящему изобретению представляет собой осветительный прибор.
(14) Осветительный прибор, включающий в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), и оптический волновод для приема света из полупроводниковых стержней, расположенных в каждой из упомянутых двух или более областей.
(15) Осветительный прибор, включающий в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по вышеприведенному пункту (1), оптический мультиплексор для мультиплексирования света из полупроводниковых стержней, расположенных в каждой из упомянутых двух или более областей, и оптический волновод для приема мультиплексированного света из оптического мультиплексора.
Выгодные эффекты изобретения
[0016] Согласно настоящему изобретению предусмотрен массив полупроводниковых светоизлучающих элементов, включающий в себя множество светоизлучающих элементов, сформированных на одной и той же подложке, соответственно излучающих различные длины волн света. Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по настоящему изобретению имеет простую структуру и может быть легко изготовлен.
[0017] В частности, такими факторами, как форма и размер (т.е. площадь поперечного сечения) полупроводниковых стержней, интервал между полупроводниковыми стержнями и расположение полупроводниковых стержней, управляют в зависимости от формы и расположения рисунка изолирующей пленки (или отверстий), так что намеченный(ые) полупроводниковый(ые) стержень(ни) может (могут) быть легко изготовлен(ы). Можно также легко управлять длиной волны света, излучаемого из полупроводниковых стержней.
[0018] Например, в пределах области 10 мкм × 10 мкм могут быть предусмотрены пять полупроводниковых стержней, чтобы сделать светоизлучающий элемент, состоящий из набора пяти полупроводниковых стержней и имеющий выходную мощность 1 мВт. Кроме того, даже учитывая запас на пространство для проводки и технологических этапов, интервал между светоизлучающими элементами по массиву светоизлучающих элементов может быть уменьшен до столь узкого, как примерно 20 мкм. Поэтому, когда с массивом светоизлучающих элементов соединяют многомодовое оптоволокно (например, с диаметром сердцевины 50 мкм), возможно направлять свет от множества светоизлучающих элементов с различными длинами волн светового излучения непосредственно в одно и то же оптоволокно. Следовательно, может быть реализована связь с четырехволновым мультиплексированием, используя одно оптоволокно при связи с грубым WDM (CWDM), не используя оптический мультиплексор.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0019] ФИГ.1 показывает процедуры по формированию полупроводниковых стержней с различными высотами на единственной подложке (вариант воплощения 1);
ФИГ.1A показывает подложку, покрытую изолирующей пленкой;
ФИГ.1B показывает отверстия, сформированные в изолирующей пленке;
ФИГ.1C показывает получившиеся полупроводниковые стержни;
ФИГ.2 представляет собой схематический вид, показывающий соответствующие слои получившегося полупроводникового стержня;
ФИГ.3 представляет собой график, показывающий толщину слоя квантовой ямы полупроводникового стержня в зависимости от интервала между полупроводниковыми стержнями;
ФИГ.4 показывает полупроводниковый стержень, покрытый AlGaAs;
ФИГ.5 показывает полупроводниковый стержень с интервалом между стержнями, заполненным изоляционным материалом, и с расположенными в нем электродами n-типа и p-типа;
ФИГ.6 представляет собой вид в перспективе массива полупроводниковых светоизлучающих элементов по варианту воплощения 1;
ФИГ.7 представляет собой график, показывающий толщину слоя квантовой ямы полупроводникового стержня каждого светоизлучающего элемента в массиве полупроводниковых светоизлучающих элементов по варианту воплощения 1 в зависимости пиковой длины волны светового излучения;
ФИГ.8 показывает процедуры по формированию полупроводниковых стержней с различными высотами на единственной подложке (вариант воплощения 2);
ФИГ.8A показывает подложку, покрытую изолирующей пленкой;
ФИГ.8B показывает отверстия, сформированные в изолирующей пленке;
ФИГ.8C показывает получившиеся полупроводниковые стержни;
ФИГ.9 представляет собой график, показывающий диаметр слоя квантовой ямы получившегося полупроводникового стержня в зависимости от толщины полупроводникового стержня;
ФИГ.10 представляет собой схематический вид массива полупроводниковых светоизлучающих элементов по варианту воплощения 2;
ФИГ.11 представляет собой пример полупроводникового стержня, имеющего слой квантовой ямы, выполненный из слоя GaAs/AlGaAs;
ФИГ.12 представляет собой пример полупроводникового стержня, имеющего слой квантовой ямы, выполненный из слоя InGaAs;
ФИГ.13A представляет собой график, показывающий диаметр показанного на ФИГ.12 полупроводникового стержня в зависимости от атомного отношения In/Ga в слое квантовой ямы;
ФИГ.13B представляет собой график, показывающий диаметр полупроводникового стержня в зависимости от пиковой длины волны светового излучения;
ФИГ.14 представляет собой пример полупроводникового стержня, имеющего слой квантовой ямы, выполненный из слоя InGaAs;
ФИГ.15 представляет собой пример полупроводникового стержня, имеющего слой квантовой ямы, выполненный из слоя InGaAsP;
ФИГ.16 представляет собой пример полупроводникового стержня, имеющего слой квантовой ямы, выполненный из слоя InGaN;
ФИГ.17 представляет собой график, показывающий атомное отношение In/Ga слоя квантовой ямы полупроводникового стержня в зависимости от пиковой длины волны светового излучения;
ФИГ.18 показывает оптический передатчик, включающий в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов и оптический волновод;
ФИГ.19 показывает устройство передачи и приема оптического сигнала;
ФИГ.20 представляет собой концептуальный вид, показывающий конфигурацию сети;
ФИГ.21 представляет собой схематический вид массива полупроводниковых светоизлучающих элементов, который может использоваться в качестве устройства для оптической передачи (т.е. связи с четырехволновым мультиплексированием);
ФИГ.22 показывает устройство для оптической передачи (т.е. связи с четырехволновым мультиплексированием), включающее в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов;
ФИГ.23 представляет собой схематический вид массива полупроводниковых светоизлучающих элементов, который может использоваться в качестве осветительного прибора;
ФИГ.24 представляет собой осветительный прибор, включающий в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов; и
ФИГ.25 представляет собой график, показывающий атомное отношение In/Ga в полупроводниковом стержне InGaN в зависимости от диаметра стержня InGaN.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов
1. :
[0020] Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов включает в себя 1) полупроводниковую кристаллическую подложку, 2) изолирующую пленку, расположенную на поверхности полупроводниковой кристаллической подложки и имеющую отверстия, обнажающие поверхность подложки, 3) полупроводниковые стержни, простирающиеся от поверхности подложки вверх через отверстия, причем каждый из полупроводниковых стержней имеет p-n-переход, 4) первый электрод, соединенный с полупроводниковой кристаллической подложкой; и второй электрод, соединенный с верхними частями полупроводниковых стержней. Изолирующая пленка разделена на несколько областей, и высоты полупроводниковых стержней, измеренные от поверхности подложки, меняются среди этих областей.
2
3
[0021] Подложка в полупроводниковом светоизлучающем элементе согласно настоящему изобретению может быть из любого материала, при условии, что он представляет собой кристалл полупроводника, такого как GaAs, InP, Si, InAs, GaN, SiC, AlO или т.п.
2
[0022] Никакого особого ограничения не наложено на материал изолирующей пленки, расположенной на поверхности подложки, которая может быть любым неорганическим изоляционным материалом, таким как SiO, SiN или т.п. Изолирующая пленка может быть сформирована ионным распылением или другими похожими способами, а толщина пленки может составлять несколько десятков нм.
[0023] Та поверхность подложки, где расположена изолирующая пленка, является поверхностью с кристаллографической осью (111) кристалла полупроводника, который образует подложку. Выращивая полупроводниковые стержни от поверхности с кристаллографической осью (111), возможно «растянуть» полупроводниковые стержни в направлении кристаллографической оси (111) кристалла полупроводника, тем самым улучшая эффективность светоизлучающего элемента, включая эффективность генерации лазерного излучения, вызванную симметрической природой кристаллов.
[0024] Изолирующая пленка, расположенная на поверхности подложки, разделена на две или более области. Использующийся здесь термин "разделена" означает, что изолирующая пленка физически разрезана и разделена, или же изолирующая пленка может быть непрерывной пленкой и фактически разделенной на множественные области. Будучи физически разделенной, каждая область пленки может быть отделена по меньшей мере несколькими микрометрами, предпочтительно - примерно от 50 мкм до 100 мкм, друг от друга. Каждая из двух или более областей изолирующей пленки образует область светоизлучающего элемента, откуда излучаются лучи света с различными длинами волн.
[0025] Никакого особого ограничения не наложено на размер каждой области изолирующей пленки, который может быть задан подходящим образом в зависимости от различных факторов, таких как число формируемых на ней полупроводниковых стержней. При объединении с оптическим волноводом с образованием оптического передатчика (см. ФИГ.18), площадь каждой области изолирующей пленки, где расположены полупроводниковые стержни, должна быть почти равной или меньшей, чем размер сердцевины оптического волновода. По сути, если диаметр сердцевины оптического волновода составляет 50 мкм, то каждая область изолирующей пленки может быть прямоугольной с размером примерно 100 мкм.
[0026] Более того, никакого особого ограничения не наложено на расстояние t между соответствующими областями изолирующей пленки. Опять же, при объединении с оптическим волноводом с образованием оптического передатчика, расстояние между соответствующими областями может быть задано так, чтобы соответствовать шагу расположения оптического волновода. Обычно расстояние между соответствующими областями изолирующей пленки составляет от примерно нескольких мкм до нескольких сотен мкм.
[0027] В каждой области изолирующей пленки сформированы два или более отверстия, проникающие через пленку и простирающиеся до поверхности подложки. Полупроводниковые стержни выращивают из этих отверстий. В каждой области пленки должны быть сформированы два или более отверстия, а, как правило, предпочтительно имеется десять или более отверстий. Отверстия могут быть любой формы, включая прямоугольные, треугольные, шестиугольные или круглые.
[0028] Предпочтительно, проходное сечение отверстий каждой области является фиксированным. Например, проходное сечение может иметь диаметр примерно от 10 нм до 2 мкм, при условии, что отверстие является круглым. Кроме того, предпочтительно, чтобы отверстия были расположены равномерно. Использующийся здесь термин «расположены равномерно» обозначает, например, что между отверстиями имеется равное и постоянное расстояние. Расстояние между отверстиями может составлять не больше, чем примерно 3 мкм.
[0029] Отверстия могут быть сформированы путем удаления части изолирующей пленки, сформированной на поверхности полупроводниковой кристаллической подложки, фотолитографией или электроннолучевой литографией.
[0030] Далее, массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что 1) среднее проходное сечение отверстий различается среди областей изолирующей пленки, или 2) плотность отверстий на единицу площади (например, среднее расстояние или интервал между отверстиями) различается среди областей изолирующей пленки. Учитывая продольное направление (или направление x) и поперечное направление (или направление у) в плоскости изолирующей пленки, расстояние или интервал между отверстиями может быть (1) идентичным как в направлении x, так и в направлении y, или (2) отличающимся по направлениям x и y соответственно. То есть, среднее расстояние между отверстиями может различаться среди областей изолирующей пленки. Таким образом, в соответствующих областях возможно сформировать полупроводниковые стержни, имеющие различные высоты.
[0031] Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению включает в себя полупроводниковые стержни, простирающиеся от поверхности подложки, обнаженной через отверстия, и эти полупроводниковые стержни могут быть сформированы, например, парофазным осаждением, при котором используется термическое разложение металлоорганических соединений (которое будет описано подробно позже). Скорость роста полупроводниковых стержней замедляется по мере того, как 1) проходные сечения становятся более широкими, в то время как скорость повышается по мере того, как отверстия становятся меньшими. Другими словами, чем меньше проходные сечения отверстий, тем дольше растут полупроводниковые стержни в пределах заданного времени роста. Кроме того, полупроводниковые стержни растут быстрее по мере того, как 2) становится выше плотность отверстий (плотность), и растут медленнее по мере того, как плотность становится ниже. Таким образом, чем выше плотность отверстий, тем дольше формируются полупроводниковые стержни в пределах заданного времени роста.
[0032] Как упомянуто выше, массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению включает в себя полупроводниковые стержни, простирающиеся от поверхности подложки, обнаженной через отверстия, сформированные в изолирующей пленке. Другими словами, каждая область включает в себя два или более полупроводниковых стержня, в зависимости от числа отверстий. Предпочтительно, полупроводниковые стержни каждой области имеют одинаковые длину и толщину.
[0033] Полупроводниковый компонент, который образует полупроводниковые стержни, может состоять из двух, трех, четырех или более чем четырех элементов. Примеры полупроводника, состоящего из двух элементов, включают GaAs, InP, InAs, GaN, ZnS, SiC, ZnTe и т.п. Примеры полупроводника, состоящего из трех элементов, включают AlGaAs, InGaAs, GaInP, InGaN, AlGaN, ZnSSe, GaNAs и т.п. Примеры полупроводника, состоящего из четырех элементов, включают InGaAsP, InGaAlN, AlInGaP, GaInAsN и т.п.
[0034] Предпочтительно, полупроводниковые стержни, расположенные в каждой области, имеют p-n-переходы. Термин «p-n-переход» означает, что в полупроводниковом кристалле область p-типа находится в контакте с областью n-типа. В полупроводниковых стержнях предпочтительно, чтобы область p-типа и область n-типа были наслоены в направлении простирания полупроводниковых стержней. Другими словами, плоскость p-n-перехода предпочтительно является перпендикулярной направлению простирания полупроводниковых стержней и параллельной подложке. Наслоение может быть выполнено либо в порядке «область p-типа с последующей областью n-типа», либо в порядке «область n-типа с последующей областью p-типа» в направлении простирания.
[0035] Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению излучает свет из поверхности p-n-перехода полупроводниковых стержней, когда к обоим электродам (включая p-электрод и n-электрод, которые будут описаны позже) приложено напряжение. При этом, если верхняя и нижняя концевые поверхности полупроводниковых стержней перпендикулярны направлению простирания полупроводниковых стержней и если потери при распространении света внутри стержней малы, то свет излучается в том же самом направлении, что и направление простирания полупроводниковых стержней.
[0036] Полупроводниковые стержни согласно настоящему изобретению могут включать в себя p-n-переход, а также гетеропереход. Гетеропереход выполнен из полупроводников несходных составов, соединенных границей раздела, которой присуще резкое изменение состава. Те полупроводниковые материалы, которые образуют p-n-переход, могут быть соответственно выбраны для управления длиной волны светового излучения. Кроме того, чтобы придать эффективную функцию излучения света полупроводниковым стержням, имеющим и p-n-переход, и гетеропереход, может быть применена структура с квантовой ямой. Если структура с квантовой ямой выполнена из полупроводника с собственной проводимостью, или же части полупроводника кроме структуры с квантовой ямой образованы структурой с собственной проводимостью и введены на соединяющей границе раздела p-n-перехода, то образуется "pin" структура, которая улучшает эффективность излучения света по сравнению со случаем, когда полупроводник с собственной проводимостью не используется.
[0037] Структура с квантовой ямой образована слоем полупроводника с менее широкой запрещенной зоной (слоем квантовой ямы), окруженным с двух сторон слоями различных полупроводников с более широкой запрещенной зоной (запирающими слоями). Электроны удерживаются в слое полупроводника с менее широкой запрещенной зоной (слое квантовой ямы). Движение электронов в направлении, перпендикулярном пленке полупроводника, квантуется, обеспечивая дискретную энергию.
[0038] Предпочтительно, полупроводниковые стержни согласно настоящему изобретению включают в себя структуру с квантовой ямой. Когда в полупроводниковых стержнях сформирована структура с квантовой ямой, предпочтительно, чтобы толщина слоя квантовой ямы полупроводниковых стержней в пределах одной и той же области изолирующей пленки была постоянной и чтобы толщина слоя квантовой ямы полупроводниковых стержней менялась среди областей изолирующей пленки. По сути, поскольку длина волны излучаемого света меняется в зависимости от толщины слоя квантовой ямы, массив полупроводниковых светоизлучающих элементов, который излучает многоцветный свет, может быть обеспечен за счет управления толщиной слоя квантовой ямы для каждой области изолирующей пленки.
[0039] Далее, область p-типа и область n-типа, а также слой квантовой ямы полупроводниковых стержней согласно настоящему изобретению могут иметь многослойную структуру (см. Фиг.11, 15 и 16). Термин «многослойная структура» означает, что повторно нанесены два или более слоя несходных полупроводниковых компонентов. Например, запирающие слои (34 и 36), показанные на ФИГ.11, образованы поочередным нанесением слоя GaAs и слоя AlGaAs неоднократно. Если область p-типа, область n-типа или слой квантовой ямы полупроводниковых стержней имеет многослойную структуру, то может быть повышена интенсивность светового излучения за счет установления соответствия периода цикла этого слоя с длиной волны излучаемого света.
[0040] Полупроводниковые стержни могут быть сформированы методом MOCVD, а также молекулярно-пучковой эпитаксии, которая использует осаждение из паровой фазы элементов в вакуумном устройстве. Изготовление полупроводниковых стержней будет описано позже.
[0041] Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению характеризуется тем, что длина полупроводниковых стержней меняется среди областей. Как упомянуто выше, полупроводниковые стержни формируют методом MOCVD или т.п., и скорость роста полупроводникового кристалла изменяется в зависимости от площади сформированных в изолирующей пленке отверстий или плотности этих отверстий. Таким образом, регулируя площадь и/или расположение отверстий, можно управлять высотой полупроводниковых стержней.
[0042] Полупроводниковые стержни имеют p-n-переходы и излучают свет при поступлении электрического тока. Излучаемый свет имеет различные длины волн, соответствующие тем полупроводниковым материалам, которые образуют полупроводниковые стержни. Настоящее изобретение, главным образом, описывает полупроводниковые стержни, имеющие структуру с квантовой ямой. В структуре с квантовой ямой длина волны излучаемого света зависит от толщины слоя квантовой ямы. Таким образом, длины волн света, излучаемого из полупроводниковых стержней, различаются среди областей изолирующей пленки.
[0043] Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению включает в себя первый электрод, соединенный с подложкой, и второй электрод, соединенный с кончиком (т.е. противоположной стороной подложки). Первый и второй электроды образованы комбинацией, например, электрода p-типа (такого как Cr/Au или оксиды InSn) и электрода n-типа (такого как AuGeNi). На полупроводниковой кристаллической подложке, включающей в себя две или более области, могут быть предусмотрены один или более первых электродов. Для каждой области (т.е. для каждого светоизлучающего элемента) могут быть предусмотрены один или более вторых электродов. Либо первый, либо второй электрод может быть произвольно выбран выполненным электродом p-типа или электродом n-типа, соответствующим расположению области p-типа и области n-типа.
[0044] Когда электрический ток включен и проходит через p-n-переход в прямом направлении, из электрода p-типа излучается свет, и этот излучаемый свет может быть извлечен со стороны электрода p-типа. Предпочтительно, электрод p-типа выполнен как прозрачный электрод или имеет снабженную рисунком структуру с тем, чтобы облегчить отвод света, излучаемого перпендикулярно поверхности подложки. Также возможно извлекать свет со стороны электрода n-типа. В этом случае электрод n-типа образован прозрачным электродом. По сути, является предпочтительным, чтобы электрод, расположенный на той стороне, где извлекается свет, был образован прозрачным электродом.
[0045] Окружная периферия вокруг полупроводниковых стержней, входящих в массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по настоящему изобретению, может быть покрыта защитным слоем. Защитный слой может быть кристаллическим слоем, который выращен сбоку, учитывая, что направление простирания стержней представляет собой продольное направление (см. ФИГ.4), или может быть отдельно введенным материалом с высоким сопротивлением (см. ФИГ.5). Кроме того, зазор между полупроводниковыми стержнями может быть заполнен изоляционным материалом (ФИГ.5).
Свойства светового излучения:
[0046] Длина волны света из массива полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению может быть изменена в зависимости от различных факторов, таких как полупроводниковые компоненты полупроводниковых стержней или высота полупроводниковых стержней (и особенно толщина слоя квантовой ямы, если формируют структуру со слоем квантовой ямы).
Например, если слой квантовой ямы выполнен из GaAs, то может излучаться свет, имеющий длину волны примерно от 700 нм до 900 нм (см. ФИГ.7), в зависимости от толщины слоя квантовой ямы. Если слой квантовой ямы выполнен из InGaAs или InGaAsP, то может генерироваться свет, имеющий длину волны примерно от 1,3 мкм до 1,5 мкм, в зависимости от атомного отношения In к Ga в слое квантовой ямы. Если слой квантовой ямы выполнен, например, из InGaN, то может генерироваться свет, имеющий длину волны примерно от 400 нм до 700 нм, в зависимости от атомного отношения In к Ga (см. ФИГ.17). На интенсивность светового излучения также влияет, например, слоистая структура области p-типа, области n-типа или слоя квантовой ямы.
Способ изготовления массива полупроводниковых светоизлучающих элементов
2. :
[0047] Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению может быть изготовлен любым способом при условии, что он не препятствует преимуществам настоящего изобретения, и может быть изготовлен описанным ниже способом, включающим в себя следующие технологические этапы.
[0048] Приготавливают полупроводниковую кристаллическую подложку и покрывают ее поверхность с кристаллографической осью (111) изолирующей пленкой. Изолирующая пленка может быть сформирована на поверхности подложки ионным распылением или т.п. Формируют отверстия в изолирующей пленке, покрывающей поверхность полупроводниковой кристаллической подложки. Отверстия могут быть сформированы в изолирующей пленке фотолитографией или электроннолучевой литографией.
[0049] Предпочтительно, изолирующую пленку разделяют на две или более области, и каждая область имеет одинаковое проходное сечение или одинаковую плотность отверстий, сформированных в пределах этой области. С другой стороны, предпочтительно изменять проходное сечение или плотность отверстий для каждой области. Как упомянуто выше, проходное сечение или плотность отверстий могут влиять на длину полупроводниковых стержней, которые будут сформированы. При надлежащем задании размера и расположения отверстий в каждой области соответствующими желаемому полупроводниковому стержню, свет, излучаемый из сформированных в каждой области полупроводниковых стержней, может иметь различные длины волн. В результате может быть обеспечен массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению, который излучает многоцветный свет.
[0050] Затем через отверстия формируют полупроводниковые стержни выращиванием кристаллов от полупроводниковой кристаллической подложки, покрытой изолирующей пленкой с отверстиями. Например, известны различные способы по выращиванию полупроводниковых кристаллов химическим осаждением металлоорганических соединений из паровой фазы (MOCVD), и в качестве желательного может быть использован любой способ. Полупроводниковую кристаллическую подложку размещают в реакторе, нагревают до примерно 400°C - 900°C и подают в реактор газообразный материал, такой как газообразный металлоорганический материал, чтобы сформировать полупроводниковые стержни. Например, если желательно вырастить GaAs, то в качестве газа-источника Ga используют газообразный триметилгаллий, а в качестве газа-источника As используют газообразный арсин. Когда выращивают AlGaAs, в качестве газа-источника Ga используют газообразный триметилгаллий, в качестве газа-источника As используют газообразный арсин, а в качестве источника алюминия используют триметилалюминий.
2
6
[0051] Формирование полупроводникового стержня выращиванием кристаллов включает в себя этапы формирования слоя полупроводника p-типа и слоя полупроводника n-типа. Конкретно, полупроводниковый стержень включает в себя полупроводники p-типа и n-типа и имеет p-n-переход. Может иметь место случай, когда слой полупроводника p-типа формируют после формирования слоя полупроводника n-типа, или же слой полупроводника n-типа формируют после слоя полупроводника p-типа. Могут быть также подходящим образом выбраны и применены средства для выполнения слоев полупроводника p-типа или n-типа. Например, если желательно вырастить GaAs n-типа, то в дополнение к газообразному металлоорганическому материалу может подаваться газообразный SiH. Точно так же, если желателен GaAs p-типа, то в дополнение к газообразному металлоорганическому материалу может подаваться диметилцинк.
[0052] Далее, формирование полупроводникового стержня выращиванием кристаллов может включать в себя этап формирования слоя квантовой ямы. Предпочтительно, слой квантовой ямы представляет собой слой нелегированного типа и не является ни слоем p-типа, ни слоем n-типа. Поскольку потенциал слоя квантовой ямы должен быть ниже, чем потенциал запирающих слоев, которые с двух сторон окружают слой квантовой ямы, его материал отличается от материала запирающих слоев. Таким образом, на этапе формирования слоя квантовой ямы в реактор подают иной газообразный металлоорганический материал.
[0053] Подаваемый газообразный металлоорганический материал вызывает химическую реакцию осаждения из газовой фазы на поверхности подложки (с кристаллографической осью (111)), обнаженной через отверстие, тем самым обеспечивая осаждение желаемых кристаллов. На ранней стадии процесса роста кристаллов, когда истек лишь короткий период времени роста, осажденные кристаллы находятся в виде частиц или в виде холмика, так что стержни выросли больше в поперечном направлении, а не в направлении высоты, и при этом стержни все еще коротки. Напротив, по мере протекания времени роста кристаллы постепенно растут и становятся все выше, образуя стержнеобразные полупроводниковые кристаллы.
[0054] Вертикальное сечение полупроводникового стержня вдоль направления его выращивания может изменяться в зависимости от формы отверстия. А именно, полупроводниковый стержень имеет форму треугольной призмы, когда отверстие является треугольным, шестиугольной призмы - когда отверстие является шестиугольным, и почти столбчатой многоугольной призмы - когда отверстие является круглым. Толщина полупроводникового стержня может также обычно регулироваться диаметром отверстий.
[0055] Кроме того, скорость роста кристаллов в направлении высоты меняется в зависимости от площади или расположения отверстий. А именно, по мере того как площадь отверстия становится большей, скорость роста кристаллов в направлении высоты замедляется и полупроводниковый стержень получается коротким, а если предусмотрен слой квантовой ямы, то толщина ямы также становится более тонкой. Точно так же, по мере уменьшения плотности отверстий скорость роста кристаллов в направлении высоты замедляется и полупроводниковый стержень получается коротким, а если предусмотрен слой квантовой ямы, то толщина ямы также становится более тонкой.
[0056] Как описано выше, способ изготовления по настоящему изобретению делит имеющуюся на единственной подложке изолирующую пленку на несколько областей и формирует отверстия с различными проходными сечениями или плотностями среди соответствующей области. Хотя полупроводниковый кристалл выращивают на единственной подложке, одновременно формируя полупроводниковые стержни, полученные полупроводниковые стержни обладают различными для каждой области характеристиками светового излучения, тем самым обеспечивая удобный способ изготовления массива светоизлучающих элементов, способного к излучению многоцветного света.
Оптический передатчик
3. :
[0057] Оптический передатчик по настоящему изобретению включает в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов и оптический волновод по настоящему изобретению. Как упомянуто выше, массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по настоящему изобретению включает в себя множество светоизлучающих элементов, которые излучают свет различных длин волн, и полезен в системах передачи, таких как система параллельной передачи или система передачи с мультиплексированием по длине волны.
[0058] Первый вариант воплощения оптического передатчика включает в себя оптический волновод, предусмотренный в соответствующих областях светоизлучающего элемента массива полупроводниковых светоизлучающих элементов. Предпочтительно, в каждой области площадь той области, где сформированы полупроводниковые стержни, равна или несколько меньше, чем размер сердцевины соответствующего оптического волновода. Оптический передатчик, показанный на ФИГ.18, может использоваться в системе параллельной передачи.
[0059] Второй вариант воплощения оптического передатчика, как показано на ФИГ.19B, мультиплексирует лучи света из светоизлучающих элементов массива полупроводниковых светоизлучающих элементов и пропускает мультиплексированный свет через оптический волновод по системе передачи с мультиплексированием по длине волны. Оптический передатчик, показанный на ФИГ.19, может использоваться в системе передачи с мультиплексированием по длине волны.
[0060] Как показано на ФИГ.22, также возможно предусмотреть единственный оптический волновод (например, оптоволокно), который соответствует всей области светоизлучающих элементов массива полупроводниковых светоизлучающих элементов. В результате реализуется передача с четырехволновым мультиплексированием, используя единственное оптоволокно, даже без оптического мультиплексора. Интервал длины волны света, излучаемого из соответствующих светоизлучающих областей, может быть отрегулирован до примерно 10 нм.
Осветительный прибор
4. :
[0061] Осветительный прибор по настоящему изобретению включает в себя массив полупроводниковых светоизлучающих элементов и оптический волновод по настоящему изобретению. Например, как показано на ФИГ.24, массив полупроводниковых светоизлучающих элементов, содержащий светоизлучающие элементы для излучения соответственно синего, зеленого и красного света, объединен с единственным оптическим волноводом для проведения белого света. Осветительный прибор по настоящему изобретению может использоваться в качестве осветительного волокна в медицинских устройствах и т.п.
[0062] Ниже массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению будет описан более подробно со ссылкой на приложенные чертежи.
Вариант воплощения 1: Регулирование плотности отверстий
[0063] ФИГ.1A показывает полупроводниковую кристаллическую подложку 1 (например, из GaAs, InP, Si), покрытую изолирующей пленкой 2. Поверхность подложки 1, покрытая изолирующей пленкой 2, является поверхностью с кристаллографической осью (111). Например, толщина изолирующей пленки 2 составляет 20 нм. Изолирующая пленка 2 разделена на четыре области, состоящие из частей 2A-2D изолирующей пленки.
[0064] Размеры (a×b) частей 2A-2D изолирующей пленки могут быть одинаковыми или могут быть неодинаковыми. Никакие особые ограничения не наложены на продольные и поперечные длины a, b, и в этом описании обе длины заданы равными 100 мкм. Кроме того, межцентровое расстояние между соответствующими частями (т.е. межцентровые расстояния c1, c2 и c3 соответственно между частями 2A и 2B, 2B и 2C, и 2C и 2D изолирующей пленки) задано равным 250 мкм.
[0065] ФИГ.1B показывает два или более отверстия (показаны девять отверстий) 3A-3D, сформированные в каждой из частей 2A-2D изолирующей пленки. Поверхность подложки 1 обнажена отверстиями 3A-3D. Отверстия 3A-3D сформированы по технологиям микроформирования рисунка, используемым в процессе производства полупроводников, таким как фотолитография, электронно-лучевая литография и т.п. Никакие особые ограничения не наложены на формы отверстий 3A-3D, и эти формы могут быть прямоугольными, треугольными, шестиугольными, круглыми и т.д.
[0066] Проходное сечение отверстий 3A-3D может иметь диаметр от 100 нм до 500 нм. На ФИГ.1B все отверстия 3A-3D имеют одинаковое проходное сечение. В нижеприведенном описании диаметр отверстий 3A-3D составляет 80 нм.
[0067] Отверстия 3A, сформированные в части 2A изолирующей пленки, имеют приблизительно постоянный интервал друг от друга (предполагая, что продольный интервал обозначен p1A, а поперечный интервал - p2A). Точно так же интервалы (p1B и p2B) между отверстиями 3B, сформированными в части 2B изолирующей пленки, интервалы (p1C и p2C) между отверстиями 3C, сформированными в части 2C изолирующей пленки, и интервалы (p1D и p2D) между отверстиями 3D, сформированными в части 2D изолирующей пленки, также являются приблизительно постоянными. Интервал между отверстиями может быть отрегулирован в пределах диапазона от нескольких десятков нм до нескольких мкм. На ФИГ.1B продольное расстояние p1 и поперечное расстояние p2 являются приблизительно одинаковыми, но p1 и p2 могут быть неодинаковыми.
[0068] На ФИГ.1B интервал между отверстиями отличается у каждой из частей 2A-2D изолирующей пленки. А именно, интервал между отверстиями 3B в части 2B изолирующей пленки больше, чем интервал между отверстиями 3A в части 2A изолирующей пленки. Точно так же, интервал между отверстиями 3C в части 2C изолирующей пленки больше, чем интервал между отверстиями 3B в части 2B изолирующей пленки, а интервал между отверстиями 3D в части 2D изолирующей пленки больше, чем интервал между отверстиями 3C в части 2C изолирующей пленки. В частности, предполагается, что p1A=p2A=0,3 мкм, p1B=p2B=1,5 мкм, p1C=p2C=2,3 мкм и p1D=p2D=3,0 мкм.
3
[0069] ФИГ.1C показывает полупроводниковые стержни 4A-4D, сформированные в структуре, показанной на ФИГ.1B. Полупроводниковые стержни 4A-4D сформированы посредством химического осаждения металлоорганических соединений из паровой фазы или подобного способа. В частности, при выращивании кристалла GaAs в качестве газов-источников Ga и As используется газообразный триметилгаллий (TMG) и газообразный арсин (AsH). Кроме того, при выращивании AlGaAs в качестве источника Al используется газообразный триметилалюминий (TMA). Эти газообразные материалы подают в течение заданного промежутка времени к поверхности подложки 1, которая нагрета и поддерживается при примерно 750°C.
[0070] ФИГ.2 представляет собой схематический вид, показывающий примерный полупроводниковый стержень 4, сформированный согласно указанному выше. Полупроводниковый стержень 4, показанный на ФИГ.2, сформирован во время одного цикла роста кристалла, который включает в себя этапы:
-7
-4
3
2
6
1) формирование слоя 23 GaAs n-типа на подложке 1 путем подачи TMG при давлении 2,7×10атм и AsHпри давлении 5,0×10атм, а также подачи SiH при скорости подачи 1 sccm (стандартный кубический сантиметр в минуту);
-7
-8
-4
3
2
6
2) нанесение слоя 24 AlGaAs n-типа поверх слоя 23 GaAs n-типа путем подачи TMG при давлении 2,7×10 атм, TMA при давлении 3,5×10 и AsH при давлении 5,0×10атм, а также подачи SiH при скорости подачи 1 sccm (стандартный кубический сантиметр в минуту);
-7
-4
3
3) нанесение слоя 25 GaAs поверх слоя 24 AlGaAs n-типа путем подачи TMG при давлении 2,7×10атм и AsHпри давлении 5,0×10атм;
-7
-8
-4
3
4) нанесение слоя 26 AlGaAs p-типа поверх слоя 25 GaAs путем подачи TMG при давлении 2,7×10атм, TMA при давлении 3,5×10атм и AsHпри давлении 5,0×10атм, а также подачи диметилцинка при скорости подачи 0,5 sccm; и
-7
-4
3
5) нанесение слоя 27 GaAs p-типа поверх слоя 26 AlGaAs p-типа путем подачи TMG при давлении 2,7×10атм, AsHпри давлении 5,0×10атм, а также подачи диметилцинка при скорости подачи 0,5 sccm (стандартного кубического сантиметра в минуту).
[0071] Таким образом, в одном полупроводниковом стержне сформированы слой 23 GaAs n-типа/слой 24 AlGaAs n-типа/слой 25 GaAs/слой 26 AlGaAs p-типа/слой 27 GaAs p-типа, при этом слой 25 GaAs, используемый в качестве слоя квантовой ямы, с двух сторон окружен слоем 26 AlGaAs p-типа и слоем 24 AlGaAs n-типа (структура с квантовой ямой). Отметим, что структура с p-n-переходом показанного на ФИГ. 2 полупроводникового стержня реализована выращиванием слоя полупроводника p-типа после выращивания слоя полупроводника n-типа. Также возможно предусмотреть полупроводниковый стержень, имеющий структуру с p-n-переходом, выращиванием слоя полупроводника n-типа после выращивания слоя полупроводника p-типа.
[0072] Хотя отверстия, сформированные на ФИГ.1B, имеют приблизительно постоянное проходное сечение, плотность отверстий отличается среди частей 2A-2D изолирующей пленки, поскольку интервал (p1 или p2) между отверстиями меняется среди этих частей 2A-2D изолирующей пленки. В результате полупроводниковые стержни имеют приблизительно одинаковую толщину (одинаковый диаметр), но высота h различается среди частей 2A-2D изолирующей пленки. В частности, часть 2A изолирующей пленки имеет узкий интервал (p1A и p2A) между отверстиями, а плотность отверстий высока, так что высота hA сформированных в ней полупроводниковых стержней 4A высока. По мере того как интервал между отверстиями становится большим в частях B, C и D изолирующей пленки в указанном порядке, полупроводниковый стержень становится короче (hB>hC>hD). Другими словами, можно было бы сказать, что интервал между отверстиями обратно пропорционален высоте полупроводниковых стержней.
[0073] В частности, высота hA=1 мкм у полупроводниковых стержней 4A, сформированных в части 2A изолирующей пленки, высота hB=0,5 мкм у полупроводниковых стержней 4B, сформированных в части 2B изолирующей пленки, высота hC=0,3 мкм у полупроводниковых стержней 4C, сформированных в части 2C изолирующей пленки, а высота hD=0,2 мкм у полупроводниковых стержней 4D, сформированных в части 2D изолирующей пленки.
[0074] Что касается структуры с квантовой ямой (слой 26 AlGaAs p-типа/слой 25 GaAs/слой 24 AlGaAs n-типа), сформированной в каждом из полупроводниковых стержней 4A-4D, показанных на ФИГ.1C, слой 25 квантовой ямы (GaAs) полупроводниковых стержней 4A части 2A изолирующей пленки имеет наибольшую толщину, и толщина слоя 25 квантовой ямы становится тоньше у полупроводниковых стержней 4B, 4C и 4D частей 2B, 2C и 2D изолирующей пленки в указанном порядке.
[0075] В частности, толщина слоя 25 квантовой ямы полупроводниковых стержней 4A части 2A изолирующей пленки составляет 10 нм, толщина слоя 25 квантовой ямы полупроводниковых стержней 4B части 2B изолирующей пленки составляет 5 нм, толщина слоя 25 квантовой ямы полупроводниковых стержней 4C части 2C изолирующей пленки составляет 4 нм, а толщина слоя 25 квантовой ямы полупроводниковых стержней 4D части 2D изолирующей пленки составляет 2,5 нм.
-4
-4
-3
[0076] ФИГ.3 представляет собой график, изображающий толщину (t) слоя 25 квантовой ямы полупроводниковых стержней 4A-4D в зависимости от межцентрового расстояния (p) сформированных в изолирующей пленке отверстий 3A-3D. На графике ФИГ.3 построены три кривые (5×10атм, 2,5×10атм и 1×10атм) с различными давлениями подачи арсина. Как можно видеть из ФИГ.3, слой квантовой ямы становится более толстым по мере того, как уменьшается расстояние между центрами отверстий, независимо от подачи арсина.
-4
-3
[0077] Как показано на ФИГ.4, окружная периферия вокруг полупроводникового стержня 4 может быть покрыта. На ФИГ.4 полупроводниковый стержень 4 покрыт почти концентрически пленкой 28, образованной выращенным сбоку AlGaAs. Чтобы вырастить сбоку пленку 28 AlGaAs, температуру роста поддерживают в диапазоне от 650°C до 750°C, в то время как давление подачи арсина поддерживают на высоком уровне (приблизительно от 5×10атм до 1×10атм).
[0078] Кроме того, как показано на ФИГ.5, зазор между сформированными на подложке 1 полупроводниковыми стержнями 4 может быть заполнен изоляционным материалом 12, таким как оксид кремния. Как показано на ФИГ.5, на кончике (поверх слоя 27 GaAs p-типа) полупроводникового стержня 4 сформирован электрод 13 p-типа. Электрод 13 p-типа имеет снабженную рисунком структуру с тем, чтобы облегчить отвод света от полупроводникового стержня 4, и выполнен как прозрачный электрод. Например, электрод 13 p-типа образован нанесенным электродом из Cr/Au или оксидов InSn. Между тем, на задней стороне подложки 1 сформирован электрод 11 n-типа. Электрод 11 n-типа может быть выполнен из такого материала, как AuGeNi. В результате обеспечен массив полупроводниковых светоизлучающих элементов по настоящему изобретению.
[0079] ФИГ.6 представляет собой вид в перспективе массива полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению. Полупроводниковые стержни 4A-4D, сформированные в соответствующих частях 2A-2D изолирующей пленки, имеют различные высоты, а сформированные в них слои квантовых ям также имеют различные толщины. Электрод 11 n-типа сформирован на подложке 1, а электроды 13A-13D p-типа сформированы в соответствующих полупроводниковых стержнях 4A-4D.
[0080] Между электродом 11 n-типа и электродами 13A-13D p-типа подают разность потенциалов и включают электрический ток на p-n-переходе в прямом направлении. В ответ на это подтверждено световое излучение из каждой стороны электродов 13A-13D p-типа полупроводниковых стержней 4A-4D. Свет излучается из соответствующих полупроводниковых стержней при 77 K или 300 K.
[0081] ФИГ.7 показывает пиковые длины волн светового излучения, когда свет излучается при 300 K. Показано, что излучаемый свет имеет более длинные длины волн с увеличением толщины t слоя квантовой ямы структуры с квантовой ямой в полупроводниковом стержне.
[0082] Таблица 1 представляет список параметров отверстий изолирующей пленки и полупроводниковых стержней массива полупроводниковых светоизлучающих элементов, полученного в первом варианте воплощения (см. ФИГ.6), в зависимости от длин волн излучаемого света. Как показано в Таблице 1, по мере того как интервал между сформированными в изолирующей пленке отверстиями становится более узким (или повышается плотность отверстий), высота полупроводниковых стержней и толщина слоя квантовой ямы увеличиваются. Также показано, что по мере того, как интервал между отверстиями становится более широким, излучаемый свет имеет более длинную пиковую длину волны при данной температуре.
[0083]
Таблица 1
Интервал между отверстиями (мкм)
Диаметр отверстия (нм)
Высота h стержня (мкм)
Толщина стержня (нм)
Толщина слоя ямы (нм)
Пиковая длина волны излу-чаемого света при 77K
Пиковая длина волны излуча-емого света при 300K
0,3
80
1,0
80
10
800 нм
842 нм
1,5
80
0,5
80
5
760 нм
800 нм
2,0
80
0,3
80
4
730 нм
750 нм
3,0
80
0,2
80
2,5
680 нм
700 нм
Вариант воплощения 2: Регулирование проходного сечения отверстий
[0084] Подобно ФИГ.1A, ФИГ.8A показывает поверхность с кристаллографической осью (111) полупроводниковой кристаллической подложки 1, покрытой изолирующей пленкой 2, при этом изолирующая пленка 2 разделена на части 2E-2H изолирующей пленки. Толщина изолирующей пленки 2 и размер частей 2E-2H изолирующей пленки могут быть теми же самыми, как и на ФИГ.1A.
[0085] ФИГ.8B показывает девять отверстий 3E-3H, сформированных в каждой из частей 2E-2H изолирующей пленки. Предполагается, что части 2E-2H изолирующей пленки имеют то же самое расстояние между центрами отверстий. Напротив, проходное сечение (или диаметр dE-dH отверстий 3) различается среди соответствующих частей 2E-2H изолирующей пленки. А именно, отверстия 3E, сформированные в части 2E изолирующей пленки, имеют небольшое проходное сечение (площадь), и проходное сечение становится все большим у отверстий 3F, сформированных в части 2F изолирующей пленки, отверстий 3G, сформированных в части 2G изолирующей пленки, и отверстий 3H, сформированных в части 2H изолирующей пленки, в указанном порядке. В частности, предполагается, что диаметр dE отверстий 3E составляет 50 нм, диаметр dF отверстий 3F составляет 60 нм, диаметр dG отверстий 3G составляет 70 нм, а диаметр dH отверстий 3H составляет 100 нм.
[0086] ФИГ.8C показывает полупроводниковые стержни 4E-4H, сформированные на подложке 1, показанной на ФИГ.8B. Полупроводниковые стержни 4E-4H сформированы подобным способом (например, MOCVD) при условиях, подобных таковым по ФИГ.1. А именно, каждый полупроводниковый стержень имеет слой 23 GaAs n-типа/слой 24 AlGaAs n-типа/слой 25 GaAs/слой 26 AlGaAs p-типа/слой 27 GaAs p-типа, как показано на ФИГ.2.
[0087] Как показано на ФИГ.8C, полупроводниковые стержни 4E части 2E изолирующей пленки являются самыми высокими, и высота становится все меньшей у полупроводниковых стержней 4F части 2F изолирующей пленки, полупроводниковых стержней 4G части 2G изолирующей пленки и полупроводниковых стержней 4H части 2H изолирующей пленки в указанном порядке. Таким образом, чем меньше площадь сформированных в изолирующей пленке отверстий, тем длиннее становятся полупроводниковые стержни.
-4
-4
-3
[0088] ФИГ.9 изображает диаметр полупроводниковых стержней 4E-4H (или размер отверстий 3E-3H, сформированных в изолирующей пленке) в зависимости от толщины t слоев квантовой ямы полупроводниковых стержней 4E-4H. На графике ФИГ.9 построены три кривые, причем каждая кривая представляет различное давление подачи арсина (5×10атм, 2,5×10атм и 1×10атм). Как можно видеть из ФИГ.9, для соответствующих количеств подачи арсина, толщина t слоя квантовой ямы увеличивается по мере того, как уменьшается диаметр полупроводниковых стержней (или размер отверстий).
[0089] Полупроводниковые стержни 4 покрывают, используя структуру, показанную на ФИГ.8C (см. ФИГ.4), зазоры между полупроводниковыми стержнями 4 заполняют изолирующей пленкой (см. ФИГ.5) и формируют электроды p-типа и n-типа (см. ФИГ.5). Следовательно, реализуют показанный на ФИГ.10 массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению.
[0090] Между электродом 11 n-типа и электродами 13E-13H p-типа, показанного на ФИГ.10 массива полупроводниковых светоизлучающих элементов, подают разность потенциалов и включают электрический ток на p-n-переходе в прямом направлении. В ответ на это подтверждено световое излучение со стороны электродов 13E-13H p-типа полупроводниковых стержней 4E-4H. Свет излучается из соответствующих полупроводниковых стержней при 77 K или 300 K. По мере того как увеличивается толщина t слоя квантовой ямы структуры с квантовой ямой, световое излучение из полупроводниковых стержней имеет все более длинные длины волн.
[0091] Как описано в вариантах воплощения 1 и 2, управление высотой полупроводниковых стержней может быть осуществлено в ответ на плотность (или интервал между отверстиями) или площадь отверстий, сформированных в изолирующей пленке, а также можно управлять длинами волн излучаемого света.
Вариант воплощения 3: Структура полупроводниковых стержней
[0092] Полупроводниковый стержень, показанный на ФИГ.2, включает в себя слой 23 GaAs n-типа/слой 24 AlGaAs n-типа/слой 25 GaAs/слой 26 AlGaAs p-типа/слой 27 GaAs p-типа, но полупроводниковые компоненты и/или структура полупроводниковых стержней не ограничены этим.
[0093] Например, другой полупроводниковый стержень, имеющий структуру с квантовой ямой, показан на ФИГ.11. А именно, этот полупроводниковый стержень включает в себя слой квантовой ямы, образованный слоем 35 GaAs/AlGaAs, и запирающие слои, образованные мультислоем 34 GaAs/AlGaAs n-типа и мультислоем 36 GaAs/AlGaAs p-типа. Кроме того, структура с квантовой ямой с двух сторон окружена слоем 33 GaAs n-типа и слоем 37 GaAs p-типа.
[0094] Запирающие слои 34 и 36 имеют многослойную структуру, состоящую из повторно нанесенных слоя GaAs и слоя AlGaAs. Предпочтительно, цикл запирающих слоев 34 и 36, образованных слоями GaAs/AlGaAs, является таким же самым, как и длина волны светового излучения из слоя 35 квантовой ямы. Толщиной слоев в направлении роста кристаллов можно управлять, регулируя время, затраченное на рост кристаллов. Обеспечивая такую многослойную структуру запирающих слоев 34 и 36, можно увеличить интенсивность излучаемого света.
[0095] ФИГ.12 показывает другой пример полупроводникового стержня, имеющего структуру с квантовой ямой. А именно, этот полупроводниковый стержень включает в себя слой квантовой ямы, образованный слоем 45 InGaAs, и запирающие слои, образованные слоями 44, 46 GaAs n-типа и p-типа, которые с двух сторон окружают слой квантовой ямы. Далее, структура с квантовой ямой с двух сторон окружена слоями 43, 47 GaAs n-типа и p-типа.
[0096] ФИГ.13A представляет собой график, показывающий диаметр полупроводниковых стержней в зависимости от атомного отношения In к Ga (т.е. атомы In/атомы Ga), входящих в состав слоя 45 InGaAs, который является слоем квантовой ямы в полупроводниковых стержнях. Как показано на ФИГ.13A, это отношение повышается по мере того, как полупроводниковые стержни становятся более толстыми. Кроме того, ФИГ.13B изображает диаметр полупроводникового стержня, показанного на ФИГ.12, в зависимости от длин волн светового излучения. Как показано на ФИГ.13B, по мере того, как полупроводниковый стержень становится более толстым, пиковые длины волн светового излучения смещаются к более длинным длинам волн.
[0097] Как можно видеть из Фиг.13A и 13B, характеристика светового излучения слоя 45 квантовой ямы изменена, и поэтому изменена длина волны света, соответствующая толщине полупроводниковых стержней. Длиной волны света из показанного на ФИГ.12 полупроводникового стержня, можно управлять в соответствии с площадью отверстий, сформированных в изолирующей пленке (см. Фиг.1B и 8B).
[0098] ФИГ.14 показывает другой пример полупроводникового стержня, имеющего структуру с квантовой ямой. А именно, этот полупроводниковый стержень включает в себя слой квантовой ямы, образованный слоем 55 InGaAs, и запирающие слои, образованные слоем 54 InGaAsP n-типа и слоем 56 InGaAsP p-типа, которые с двух сторон окружают слой квантовой ямы. Далее, структура с квантовой ямой с двух сторон окружена слоем 53 InP n-типа и слоем 57 InP p-типа. Кроме того, окружная периферия вокруг полупроводникового стержня покрыта слоем 58 InP с высоким сопротивлением.
[0099] ФИГ.15 показывает другой пример полупроводникового стержня, имеющего структуру с квантовой ямой. А именно, этот полупроводниковый стержень включает в себя слой квантовой ямы, образованный слоем 65 InGaAsP, и запирающие слои, образованные мультислоем 64 InGaAsP/InP n-типа и мультислоем 66 InGaAsP/InP p-типа, которые с двух сторон окружают слой квантовой ямы. Запирающие слои 64, 66 имеют многослойную структуру, сформированную повторным нанесением слоя InGaAsP и слоя InP. Структура с квантовой ямой с двух сторон окружена слоем 63 InP n-типа и слоем 67 InP p-типа. Цикл запирающих слоев 64, 65, имеющих многослойную структуру, образованную слоем InGaAsP/InP, является таким же самым, как и длина волны светового излучения из слоя 65 InGaAsP, чтобы тем самым увеличить интенсивность света. Кроме того, окружная периферия вокруг полупроводникового стержня покрыта поверхностным защитным слоем 68.
[0100] Поскольку длина волны светового излучения из слоев квантовой ямы, образованных слоем 55 InGaAs и слоем 65 InGaAsP, которые являются излучающими свет частями полупроводникового стержня, показанного на Фиг.14 и 15, находится в диапазоне 1,3 мкм - 1,5 мкм, при применении в оптической системе связи возможна связь на большие расстояния свыше 100 км. Кроме того, предусмотрены слой 58 InP с высоким сопротивлением (ФИГ.14) или поверхностный защитный слой 68 (ФИГ.15), имеющие подобные эффекты, для защиты и стабилизации окружной периферии вокруг полупроводникового стержня, что поэтому приводит к продлению срока службы светоизлучающего элемента.
[0101] ФИГ.16 показывает еще один пример полупроводникового стержня, имеющего структуру с квантовой ямой. А именно, этот полупроводниковый стержень включает в себя слой квантовой ямы, образованный слоем 75 InGaN, и запирающие слои, образованные мультислоем 74 GaN/InGaN n-типа и мультислоем 76 GaN/InGaN p-типа, которые с двух сторон окружают слой квантовой ямы. Запирающие слои 74, 76 имеют многослойную структуру, образованную повторным нанесением слоя GaN и слоя InGaN. Далее, структура с квантовой ямой с двух сторон окружена слоем 73 GaN n-типа и слоем 77 GaN p-типа.
[0102] Цикл слоя GaN/InGaN n-типа и мультислоев 74 и 76 GaN/InGaN p-типа сделан равным длине волны светового излучения из слоя квантовой ямы, который является излучающей свет частью, образованной слоем 75 InGaN, чтобы тем самым увеличить интенсивность света. Отметим, что мультислои 74 и 76 GaN/InGaN n-типа и p-типа могут быть сформированы как единственные слои GaN/InGaN n-типа и p-типа.
[0103] ФИГ.17 представляет собой график, изображающий атомное отношение In к Ga (атомы In/атомы Ga) в слое 75 InGaN, который является слоем квантовой ямы полупроводникового стержня по ФИГ.16, в зависимости от длин волн светового излучения. Как показано на ФИГ.17, длины волн светового излучения могут быть скорректированы до любой длины волны в пределах диапазона длин волн от синего до красного, в зависимости от атомного отношения In к Ga в слое 75 квантовой ямы. Полупроводниковый стержень, показанный на Фиг.16, может быть покрыт AlGaN или защитной пленкой с высоким сопротивлением, как и в случае, показанном на Фиг.4 и 5, чтобы защитить периферийную поверхность стержня с p-n-переходом, что приводит к повышенной надежности элемента.
[0104] Как упомянуто выше, отношением атомов In к атомам Ga в слое InGaN можно управлять, регулируя толщину выращиваемых полупроводниковых стержней. Таким образом, площадь отверстий, сформированных в изолирующей пленке (см. Фиг.1B и 8B), может быть отрегулирована для управления длинами волн светового излучения из полупроводникового стержня.
Оптический передатчик
:
[0105] ФИГ.18 показывает массив 100 полупроводниковых светоизлучающих элементов (см. ФИГ.10) и оптический передатчик, имеющий оптические волноводы 80A-80D, согласно настоящему изобретению. Массив 100 полупроводниковых светоизлучающих элементов включает в себя светоизлучающие элементы 110A-110D. Массив 100 полупроводниковых светоизлучающих элементов также включает в себя полупроводниковую кристаллическую подложку 1 и электрод 11 n-типа, расположенный прилегающим к полупроводниковой кристаллической подложке 1. Соответствующие светоизлучающие элементы 110A-110D включают в себя множество полупроводниковых стержней 4A-4D и электроды 13A-13D p-типа, которые находятся в контакте с кончиками соответствующих полупроводниковых стержней.
[0106] Оптические волноводы 80A-80D, расположенные поблизости от электродов 13A-13D p-типа, имеющихся в каждом из светоизлучающих элементов 110A-110D, принимают и распространяют свет из светоизлучающих элементов. Никакие особые ограничения не наложены на расположение и материалы оптических волноводов 80. Обычно оптический волновод 80 включает в себя сердцевину 81 и оболочку 82, при этом свет направляется к сердцевине 81 и распространяется через нее.
[0107] В показанном на ФИГ.18 оптическом передатчике предпочтительно, чтобы расположение светоизлучающих элементов 110A-110D и оптических волноводов 80A-80D было подходящим образом отрегулировано так, чтобы оптические волноводы надежно принимали свет. Например, как показано на ФИГ.18, предпочтительно, чтобы сердцевина оптического волновода была немного больше, чем диапазон полупроводниковых стержней, размещенных в соответствующих местоположениях. Это обусловлено тем, что свет, излучаемый из полупроводниковых стержней, не вполне совпадает с направлением простирания стержней и имеет тенденцию немного отклонять свой ход. При условии, что ширина области, где каждый из полупроводниковых стержней размещен в соответствующих местоположениях, обозначена как D1, расстояние между светоизлучающими элементами и оптическими волноводами обозначено как L, а угол расхождения света от светоизлучающих элементов обозначен как θ, диаметр D2 сердцевины представлен формулой D2=D1+2L∙tanθ. Диаметр D2 у обычного оптического волновода составляет примерно от 50 мкм до 125 мкм, а угол расхождения света θ составляет примерно от 5° до 10°.
[0108] ФИГ.19A показывает оптический передатчик/приемник сигнала, включающий в себя печатную плату 120, чип 100 с массивом полупроводниковых светоизлучающих элементов, который содержит множество светоизлучающих элементов, смонтированных на печатной плате 120, чип 200 с массивом светопринимающих элементов, который принимает свет, и управляющую ИС (интегральную схему) 101 и принимающую ИС 201, которые активизируют чип 100 с массивом полупроводниковых светоизлучающих элементов и чип 200 с массивом светопринимающих элементов, и другие ИС 210.
[0109] Как показано на ФИГ.19B, массив 100 полупроводниковых светоизлучающих элементов может включать в себя оптический мультиплексор/делитель 300 и оптический волновод 310. Лучи света с различными длинами волн из множества светоизлучающих элементов, входящих в массив 100 полупроводниковых светоизлучающих элементов, мультиплексируются в оптическом мультиплексоре/делителе 300, образуя единственный оптический сигнал. При направлении мультиплексированного света в оптический волновод 310 может быть обеспечена система передачи с мультиплексированием по длине волны (т.е. система передачи, способная передавать множественные световые сигналы с различными длинами волн только по одному световоду).
[0110] ФИГ.20 представляет собой схематический вид, показывающий сетевой вариант воплощения локальной сети 420 связи, связанной с Интернетом через главный сервер 440. Локальная сеть 420 связи связана с ответвительным сервером 410, а ответвительный сервер 410 связан с терминальным ПК 430. Ответвительный сервер 410 хранит серверный блок 400, в котором имеется оптический передатчик/приемник сигнала, включающий в себя смонтированный на печатной плате 120 массив 100 полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению.
[0111] Фиг.21 и 22 показывают другие примеры массива светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению при его применении в оптическом передатчике. На ФИГ.21 на подложке 500 сформированы четыре части 501, 502, 503 и 504 рисунка изолирующей пленки. Каждая из частей 501, 502, 503 и 504 рисунка изолирующей пленки включает в себя пять отверстий. Проходные сечения этих пяти отверстий, сформированных в соответствующих частях рисунка изолирующей пленки, являются одинаковыми. С другой стороны, проходные сечения отверстий частей рисунка изолирующей пленки увеличиваются для частей 501, 502, 503 и 504 рисунка изолирующей пленки в указанном порядке.
[0112] Используя MOCVD, от подложки 500 через отверстия частей рисунка изолирующей пленки сформированы полупроводниковые стержни 511, 512, 513 и 514. Как упомянуто выше, так как проходные сечения отверстий у соответствующих частей рисунка изолирующей пленки являются неодинаковыми, можно изменять толщины и высоты полупроводниковых стержней 511, 512, 513 и 514. Например, если желательно сформировать полупроводниковые стержни (InGaAs) для светоизлучающего диода (СИД) с p-n-переходами, толщину излучающей свет части из InGaAs задают равной примерно 150 нм (стержни 511), примерно 200 нм (стержни 512), примерно 250 нм (стержни 513) и примерно 300 нм (стержни 514). Как показано на ФИГ.13B, длины волн света, излучаемого из соответствующих стержней, находятся в диапазоне от 910 нм до 950 нм с интервалом длины волны, составляющим примерно 10 нм.
[0113] Как показано на ФИГ.22, на подложке 500 расположен электрод 520, а на полупроводниковых стержнях 511, 512, 513 и 514 напротив электрода 520 расположены соответственно противоэлектроды 521, 522, 523 и 524. Электроды 521, 522, 523 и 524 электрически подсоединены проводами к электродам 521', 522', 523' и 524'. Боковые части полупроводниковых стержней 511, 512, 513 и 514 заделаны в заделочный слой 530.
1
2
3
4
[0114] Над излучающей свет поверхностью массива светоизлучающих элементов, показанного на ФИГ. 22, размещено оптоволокно 550 многомодового типа, включающее в себя сердцевину 551 с диаметром 65 мкм и оболочку 552. Массив светоизлучающих элементов, показанный на ФИГ. 22, излучает лучи света с четырьмя типами длин волн (λ, λ, λ, λ) вверх от поверхности подложки. Все лучи света направлены к торцу сердцевины 551 оптоволокна 550. По сути, вместо того чтобы готовить оптоволокно для каждой длины волны светового излучения (см. ФИГ.18), реализуется связь с четырехволновым мультиплексированием с использованием единственного оптоволокна и без использования оптического мультиплексора.
Осветительный прибор
:
A
B
C
[0115] Массив светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению может быть также использован в качестве осветительного прибора. Например, массив светоизлучающих элементов, содержащий три типа светоизлучающих элементов, излучающих длины волн синего, зеленого и красного цветов (λ, λ, λ), используется в качестве трехцветного светодиодного источника света. Далее, если такой массив светоизлучающих элементов объединен с оптоволокном, обеспечено осветительное волокно.
[0116] Как показано на ФИГ.23, на подложке 600 сформированы три части 601, 602 и 603 рисунка изолирующей пленки. Каждая часть рисунка изолирующей пленки представляет собой круг, имеющий диаметр 10 мкм, и интервал между соответствующими частями рисунка составляет 20 мкм. В каждой из трех частей 601, 602 и 603 рисунка изолирующей пленки сформированы пять отверстий. Пять отверстий, сформированных в части 601 рисунка изолирующей пленки, имеют одинаковое проходное сечение, пять отверстий, сформированных в части 602 рисунка изолирующей пленки, имеют одинаковое проходное сечение, и пять отверстий, сформированных в части 603 рисунка изолирующей пленки, имеют одинаковое проходное сечение. Между тем, отверстия, сформированные в части 601 рисунка изолирующей пленки, имеют самые маленькие площади, а отверстия, сформированные в части 603 рисунка изолирующей пленки, имеют самые большие площади.
A
B
C
[0117] Используя MOCVD, от подложки 600 через отверстия частей рисунка изолирующей пленки сформированы полупроводниковые стержни 611, 612 и 613. Как упомянуто выше, проходные сечения отверстий различаются среди частей рисунка изолирующей пленки, так что полупроводниковые стержни 611, 612 и 613 могут иметь различные толщины и высоты. Например, если желательно сформировать полупроводниковые стержни (InGaN) с p-n-переходами, атомное отношение In/Ga в составе регулируют в соответствии с толщиной (диаметром) стержней (см. ФИГ.25), чтобы тем самым управлять длиной волны светового излучения. Таким образом, из полупроводниковых стержней 611, 612 и 613 излучаются три типа лучей света, состоящих из синих, зеленых и красных (λ, λ, λ). А именно, диаметры полупроводниковых стержней InGaN заданы равными примерно 100 нм (стержни 611), примерно 150 нм (стержни 612) и примерно 200 нм (стержни 613), так что из стержней 611 излучается синий свет, из стержней 612 - зеленый свет, а из стержней 613 - красный свет.
[0118] Как показано на ФИГ.24, на подложке 600 расположен электрод 620, а на соответствующих полупроводниковых стержнях 611, 612 и 613 напротив электрода 620 расположены противоэлектроды 621, 622 и 623. Электроды 621, 622 и 623 электрически подсоединены проводами к электродам 621', 622' и 623'. Боковые части полупроводниковых стержней 611, 612 и 613 заделаны в заделочный слой 630.
A
B
C
[0119] Над излучающей свет поверхностью массива светоизлучающих элементов, показанного на ФИГ.24, расположено оптоволокно 650 многомодового типа, включающее в себя сердцевину 651 с диаметром 50 мкм и оболочку 652. Массив светоизлучающих элементов, показанный на ФИГ. 24, излучает лучи света с тремя типами длин волн (λ, λ, λ) вверх от поверхности подложки. Все лучи света направлены к торцу сердцевины 651 оптоволокна 650. Следовательно, реализуется световое сопряжение с низкими потерями, обеспечивающее передачу света на дальние расстояния.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0120] Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению применим по различным назначениям. В последние годы имеется увеличивающаяся потребность в высокоскоростной передаче информации (сигналов), поскольку передача и переключение информации с использованием персональных компьютеров (ПК) через Интернет распространяются во все более широких сферах и с все большими пропускными способностями. Чтобы удовлетворить эту потребность, основные отрасли промышленности начали развивать оптические технологии связи, используя оптические волокна для сетей связи на дальние расстояния, и эта технология теперь распространяется на конечных пользователей для личного использования. Между тем, для связи на коротких расстояниях в пределах от нескольких сотен метров до нескольких километров, используемой в офисах и школах, была разработана обычная сеть связи с использованием электрических сигналов, и потребность в оптической сети связи с использованием света редка.
[0121] Однако недавно возникла социальная проблема утечки конфиденциальной информации с использованием терминальных ПК, расположенных в передовых технологических подразделениях промышленных предприятий, финансовых учреждениях и государственных учреждениях. Чтобы решить эту проблему, было начато строительство сетей с реализацией новой сети, где на терминальных ПК нет никаких жестких дисков (HDs) или перезаписываемых полупроводниковых устройств флэш-памяти. В этом типе сети обработка данных осуществляется посредством терминальных ПК при непрерывной передаче данных к главному компьютеру (ГК) и от него, а обработанные данные хранятся только в ГК. По сути, неизбежно необходима еще более высокая скорость передачи сигналов между ГК и соединенными с ним отдельными ПК.
[0122] Чтобы отвечать таким потребностям, оптическая передача преимущественна по сравнению с обычной передачей электрических сигналов. Среди оптических систем передачи подходящими для связи с большой пропускной способностью являются система параллельной передачи, использующая более чем одну линию передачи сигналов, и система с мультиплексированием по длине волны (т.е. спектральным уплотнением), использующая одновременно множество волн, а не один тип длины волны. Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению предпочтительно приспособлен к таким оптическим системам передачи, включая систему параллельной передачи и систему с мультиплексированием по длине волны.
[0123] Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов согласно настоящему изобретению может быть также использован в качестве осветительного прибора.
Список ссылочных обозначений
[0124]
1: Полупроводниковая кристаллическая подложка
2: Изолирующая пленка
2A-2H: Части изолирующей пленки
3A-3H: Отверстия
4: Полупроводниковый стержень
4A-4H: Полупроводниковые стержни
p1A-p1D, p2A-p2D: Межцентровое расстояние между отверстиями
hA-hH: Высота полупроводниковых стержней
11: Электрод n-типа
12: Изоляционный материал
13. Электрод p-типа
13A-13H: Электроды p-типа
23: Слой GaAs n-типа
24: Слой AlGaAs n-типа (запирающий слой)
25: Слой GaAs (слой квантовой ямы)
26: Слой AlGaAs p-типа (запирающий слой)
27: Слой GaAs p-типа
28: Выращенная сбоку пленка AlGaAs
33: Слой GaAs n-типа
34: Многослойная структура GaAs/AlGaAs n-типа
35: Слой квантовой ямы GaAs/AlGaAs
36: Многослойная структура GaAs/AlGaAs p-типа
37: Слой GaAs p-типа
43: Слой GaAs n-типа
44: Слой GaAs n-типа
45: Слой InGaAs
46: Слой GaAs p-типа
47: Слой GaAs p-типа
53: Слой InP n-типа
54: Слой InGaAsP n-типа
55: Слой InGaAs
56: Слой InGaAsP p-типа
57: Слой InP p-типа
58: InP с высоким сопротивлением
63: Слой InP n-типа
64: Многослойная структура InGaAsP/InP n-типа
65: Слой квантовой ямы InGaAsP
66: Мультислой InGaAsP/InP n-типа
67: Слой InP p-типа
68: Поверхностный защитный слой
73: Слой GaN n-типа
74: Слой GaN/InGaNn-типа
75: Слой InGaN
76: Слой GaN/InGaN p-типа
77: Слой GaN p-типа
80A-80D: Оптические волноводы
81: Сердцевина
82: Оболочка
100: Массив полупроводниковых светоизлучающих элементов
101: Управляющая ИС
110A-110D: Светоизлучающие элементы
120: Печатная плата
200: Чип с массивом светопринимающих элементов
201: Принимающая ИС
210: Другие ИС
300: Оптический мультиплексор/делитель
310: Оптический волновод
400: Серверный блок
410: Ответвительный сервер
420: Локальная сеть связи
430: Терминальный ПК
440: Главный сервер
450: Интернет
500: Полупроводниковая кристаллическая подложка
501-504: Части рисунка изолирующей пленки
511-514: Полупроводниковые стержни
520: Электрод
521-524: Электроды
521'-524': Электроды
530: Заделочный слой
550: Оптоволокно
551: Сердцевина
552: Оболочка
600: Полупроводниковая кристаллическая подложка
601-603: Части рисунка изолирующей пленки
611-613: Полупроводниковые стержни
620: Электрод
621-623: Электроды
621'-623': Электроды
630: Заделочный слой
650: Оптоволокно
651: Сердцевина
652: Оболочка