CN101809832B

CN101809832B - 光电子器件

Info

Publication number: CN101809832B
Application number: CN2008801085531A
Authority: CN
Inventors: 马蒂亚斯·扎巴蒂尔; 彼得·布里克; 克里斯托夫·艾克勒
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2007-09-24
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: JP5646326B2; KR20100057043A; WO2009039814A1; CN101809832A; US20100296538A1; JP2010541195A; KR101608542B1; EP2191547B1; DE102007058952A1; EP2191547A1; US8406265B2

Abstract

本发明提出了一种光电子器件(1)，其具有带有半导体层序列的半导体本体(2)。半导体本体(2)的半导体层序列具有设计用于产生泵浦辐射的泵浦区(3)和设计用于产生发射辐射的发射区(4)。泵浦区(3)和发射区(4)相叠地设置。泵浦辐射在光电子器件(1)的工作中以光学方式泵浦发射区(4)。在光电子器件(1)的工作中，发射辐射在横向方向上从半导体本体(2)出射。

Description

光电子器件

本申请涉及一种光电子器件。

在基于氮化物的化合物半导体的半导体激光二极管情况下，生成辐射的效率通常随着增大的波长而降低。这使得生成绿色光谱范围中的辐射变得困难。因此，目前通常通过如下方式来产生绿色激光辐射：借助非线性光学晶体将红外光谱范围中的激光辐射频率翻倍。这与比较大的校准开销以及安装开销关联。此外还有这种晶体的成本以及比较低的转换效率。

本发明的一个任务是，提出一种光电子器件，其发射辐射在如下光谱范围中：该光谱范围不能直接借助传统的半导体激光二极管覆盖。

该任务通过权利要求1的主题来解决。有利的扩展方案和改进方案是从属权利要求的主题。

根据一个实施形式，光电子器件具有带有半导体层序列的半导体本体，其中该半导体层序列具有设计用于产生泵浦辐射的泵浦区和设计用于产生发射辐射的发射区。泵浦区和发射区相叠地设置。泵浦辐射在光电子器件的工作中以光学方式泵浦发射区。在光电子器件的工作中，发射辐射在横向方向上从半导体本体出射。借助泵浦辐射，可以在发射区中简化地产生辐射，该辐射的峰值波长在对于传统的半导体激光二极管难以达到的光谱范围中。在发射区中产生的辐射优选是相干的。

在光电子器件的工作中，泵浦区优选被电泵浦。于是，电功率至少部分地转换为泵浦辐射形式的光功率并且随后转换为发射辐射。

发射辐射和泵浦辐射优选在横向方向上传播。泵浦辐射于是可以与发射辐射一样在半导体本体中在横向方向上传播。在此，横向方向理解为如下的方向：该方向在半导体层序列的半导体层的主延伸平面中走向。此外，发射区和泵浦区可以设置在共同的波导中。

在一个优选的改进方案中，发射区和泵浦区设置在两个罩层之间。此外罩层优选分别具有如下折射率：该折射率低于分别设置在罩层的朝向泵浦区和发射区的侧上的半导体层的折射率。罩层于是可以引起泵浦辐射和发射辐射的同时的侧向的波引导(Wellenfuehrung)。

在一个优选的扩展方案中，在光电子器件的工作中一种电荷类型的载流子、即电子或者空穴通过发射区注入到泵浦区中。优选的是，为了注入载流子而设计了第一接触层和第二接触层，其中发射区和泵浦区设置在这些接触层之间。通过将发射区设置在第一接触层和第二接触层之间，可以特别紧凑地构建光电子器件。此外，发射区与泵浦辐射的光耦合被简化。

发射辐射的峰值波长合乎目的地大于泵浦辐射的峰值波长。于是保证了泵浦辐射在发射区中的有效吸收。

在一个扩展变形方案中，发射辐射的峰值波长和/或泵浦辐射的峰值波长在紫外光谱范围中或者在可见光谱范围中。例如，泵浦辐射的峰值波长可以在蓝色或者紫外光谱范围中，而发射辐射在绿色光谱范围中。绿色光谱范围尤其是理解为在490nm到570nm之间的范围，其中包括端点值。紫外光谱范围大致包括1nm至380nm的波长范围。

此外，发射辐射的峰值波长可以在480nm到600nm之间，其中包括端点值。

发射区和/或泵浦区优选包含III-V半导体材料。尤其是，发射区和/或泵浦区可以包含Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1。该半导体材料特别适于产生在紫外和可见光谱范围、尤其是蓝色和绿色光谱范围中的辐射。

在一种可替选的扩展变形方案中，发射辐射的峰值波长和/或泵浦辐射的峰值波长在红外或者红色光谱范围中。尤其是为了产生红色和红外光谱范围中的辐射，发射区和/或泵浦区可以包含Al_xIn_yGa_1-x-ySb、Al_xIn_yGa_1-x-yAs或者Al_xIn_yGa_1-x-yP，分别有0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1。

可替选地或者补充地，发射区和/或泵浦区可以包含III-V半导体材料，例如InGaAsN，带有最高5％的氮含量。这种半导体材料也称为“稀释的氮化物”。

在一个优选的扩展方案中，发射区和/或泵浦区具有量子结构。术语量子结构在本申请的范围中尤其是包括任何如下结构：其中载流子由于限制(“confinement”)而会经历其能量状态的量子化。尤其是术语量子结构并不包含关于量子化的维数的说明。由此，其尤其是包括量子槽、量子线和量子点以及这些结构的任意组合。

在一个优选的改进方案中，带隙对应于与量子层邻接的半导体层，譬如在两个相邻的量子层之间的势垒层、与泵浦区的量子层邻接的半导体层。于是，与发射区和泵浦区中的量子层可以邻接有尤其是关于其材料成分方面分别类似地实施的半导体材料。于是简化了具有高的晶体质量的发射区和泵浦区的构建。

在一个优选的扩展方案中，在半导体本体中构建有载流子势垒。载流子势垒优选对于一种电荷类型具有比对于另外的电荷类型更高的可穿过性。载流子势垒于是可以实施为空穴势垒或者电子势垒。在泵浦区的电泵浦的情况下于是可以更好地实现电子空穴对的发射辐射的复合主要在泵浦区中进行。

设置在半导体本体的n导电地掺杂的区域中的载流子势垒或者与半导体本体的n导电地掺杂的区域邻接地设置的载流子势垒优选实施为空穴势垒。

相应地，设置在半导体本体的p导电地掺杂的区域中的载流子势垒或者与半导体本体的p导电地掺杂的区域邻接地设置的载流子势垒优选实施为电子势垒。

空穴势垒例如可以借助如下半导体层来形成：该半导体层的价带边缘(Valenzbandkante)位于邻接的半导体层的价带边缘之下。相应地，可以借助如下半导体层来形成电子势垒：该半导体层的导带边缘位于邻接的半导体层的导带边缘之上。

可替选地或者补充地，载流子势垒可以实施为隧道势垒。优选的是，隧道势垒具有带隙，该带隙大于邻接的半导体材料的带隙。

隧道势垒优选具有最大10nm的厚度，优选为最大5nm、例如2nm的厚度。载流子由于量子力学的隧道效应可以克服该隧道势垒。隧道概率(Tunnelwahrscheinlichkeit)在此通常对于不同导电类型的载流子是不同的。因此，对于一种电荷类型(通常为电子)的可穿过性高于对于另一电荷类型的可穿过性。

在一个优选的扩展方案中，在泵浦区的背离载流子势垒的侧上设置有另外的载流子势垒。在此合乎目的的是，载流子势垒实施为空穴势垒而另外的载流子势垒实施为电子势垒，或者相反。电子空穴对的复合于是可以特别有利地限制在泵浦区域上。于是可以在很大程度上提高电功率至泵浦辐射的转换效率。

载流子势垒可以构建在泵浦区和发射区之间。于是，注入的载流子的复合可以简化地限制到泵浦区上。可替选地，载流子势垒也可以设置在泵浦区的背离发射区的侧上。

在一个优选的扩展方案中，半导体层序列的半导体层的层厚度实施为使得泵浦辐射的预先给定的部分与发射区以光学方式耦合。尤其是，泵浦辐射与发射区的耦合程度可以通过相对于在光电子器件的工作中在垂直方向上形成的泵浦辐射的光学模式合适地设置发射区来调节。

在一个扩展变形方案中，发射区和泵浦区在垂直的、即侧向的方向上分别设计用于在相同等级的光学模式中工作。特别地，发射区和泵浦区可以在垂直方向上分别设计用于在光学基本模式中工作。

此外，优选的是调节发射区和泵浦区之间的距离，使得泵浦辐射的预先给定的部分与发射区以光学方式耦合。发射区与泵浦辐射的光学模式的强度最大值(尤其是在光学基本模式情况下唯一的强度最大值)的距离越小，则发射区与泵浦辐射的光学耦合越强。

发射区和泵浦区可以在垂直方向上也设计用于在具有彼此不同的等级的侧向光学模式中工作。特别地，发射区可以设计用于在基本模式中工作，而泵浦区可以设计用于在第一级的模式中工作。

第n级的光学模式的特征在于存在的带有n个节点的辐射场。泵浦区和/或发射区的光学模式的节点可以构建在吸收性的层的区域中。于是可以降低泵浦辐射或者发射辐射在吸收性的层中的不希望的吸收。

半导体本体优选具有辐射透射面。发射辐射以及必要时还有泵浦辐射可以尤其是共线地穿过辐射透射面。

在一个优选的扩展方案中，在辐射透射面上构建有耦合输出层。耦合输出层也可以多层地构建。特别地，耦合输出层可以实施为布拉格反射器。借助布拉格反射器可以在宽的范围中彼此独立地调节针对发射辐射的反射率和针对泵浦辐射的反射率。

优选的是，辐射透射面尤其是借助耦合输出层构建为使得其对于发射辐射具有比对于泵浦辐射更低的反射率。特别地，辐射透射面可以具有最高为70％、优选最高50％的反射率，而对于泵浦辐射具有至少为70％的反射率。特别是针对泵浦辐射并非设计用于从光电子器件耦合输出的情况，对于泵浦辐射的反射率也可以为80％或者更高，优选为90％或者更高。

在一个优选的改进方案中，半导体本体的与辐射透射面对置的面例如借助反射层构建为使得其对于发射辐射和对于泵浦辐射具有至少50％、优选至少70％、特别优选至少90％的反射率。

在一个优选的改进方案中，借助外部反射器形成用于发射辐射和/或用于泵浦辐射的谐振器。在此，发射辐射在发射区和外部的反射器之间经过自由射束区(Freistrahlbereich)。

此外，泵浦辐射和发射辐射可以在彼此不同的谐振器中传播。特别地，谐振器可以在谐振器类型和/或谐振器长度方面不同方式地构建。例如，泵浦辐射可以在线性谐振器中传播，而发射辐射在环形谐振器中传播，或者相反。

在另一优选的扩展方案中，光电子器件具有非线性光学元件。该非线性光学元件可以设计用于发射辐射的混频，尤其是用于倍频，譬如用于将频率翻倍。此外，非线性光学元件可以设置在用于发射辐射的外部谐振器内。于是可以特别有效地进行由发射区发出的辐射的转换、例如从绿色光谱范围至紫外光谱范围的转换。

在另一优选的扩展方案中，光电子器件包括辐射接收器。辐射接收器优选具有另外的半导体层序列。该另外的半导体层序列的层构造可以至少部分地对应于所述半导体层序列的层构造。特别地，带有发射区和泵浦区的半导体层序列和辐射接收器的另外的半导体层序列可以在共同的沉积步骤中例如外延地制造，并且此外优选源自共同的半导体层序列。通过这种方式简化了制造。此外，带有发射区和泵浦区的半导体层序列和所述另外的半导体层序列可以设置在用于这些半导体层序列的共同的生长衬底上。

借助辐射接收器例如可以监视发射辐射和/或泵浦辐射的强度。为此可以省去附加的光电子器件。

在一个优选的扩展方案中，在带有发射区和泵浦区的半导体本体上或者在该半导体本体中可以构建横向的结构化部。借助这种横向的结构化部例如可以在横向的、即经线的方向上实现单模的工作。横向的结构例如可以是DFB(分布式反馈)结构或者是DBR(分布式布拉格反射器)结构。

其他的特征、有利的扩展方案和合乎目的性由下面结合附图对实施例的描述中得到。

其中：

图1在示意性截面图中示出了光电子器件的第一实施例，

图2示出了根据光电子器件的第二实施例的半导体本体的部分的导带边缘和价带边缘的分布，

图3A和3B分别示出了根据光电子器件的第三实施例(图3A)和第四实施例(图3B)的半导体本体的部分的导带边缘和价带边缘的分布，

图4示出了在根据光电子器件的第四实施例的半导体本体的部分中针对导带边缘和价带边缘的垂直分布以及发射辐射的复合率Rs的仿真结果，

图5A和5B分别示出了针对带有不同热阻的光电子器件的实施例的、作为注入的电流I的函数的、所发射的辐射功率P的仿真结果，

图6A至6C分别示出了对于光电子器件的三个实施例的折射率、泵浦辐射的光学模式和发射辐射的光学模式的定性的垂直分布，

图7示出了光电子器件的第四实施例的、在垂直方向上的导带边缘分布、费米水平和电子密度的仿真结果，

图8示出了对于图7所基于的光电子器件的第四实施例的、作为电压U的函数的电流密度j的仿真结果，

图9示出了对于耦合输出层的两个实施例的、作为波长λ的函数的耦合输出层的反射率R的仿真结果，

图10在示意性侧视图中示出了光电子器件的第五实施例，以及

图11在示意性侧视图中示出了光电子器件的第六实施例。

相同的、类似的和作用相同的元件在附图中设置有相同的附图标记。

附图分别是示意图并且因此并非一定是合乎比例的。更确切地说，比较小的元件以及尤其是层厚度为了清楚可以被夸大地示出。

在图1中在示意性截面图中示出了光电子器件1的第一实施例。光电子器件1具有带有半导体层序列的半导体本体2。半导体层序列形成半导体本体并且优选外延地、譬如借助MOVPE或者MBE来制造。半导体本体的半导体层序列具有设计用于产生泵浦辐射的泵浦区3和设计用于产生发射辐射的发射区4。泵浦区和发射区彼此相叠地设置。

在光电子器件的工作中，泵浦辐射以光学方式泵浦发射区4。这样产生的发射辐射在横向方向上从半导体本体出射。发射辐射和泵浦辐射在横向方向上传播。

带有半导体层序列的半导体本体2设置在支承体29上。支承体例如可以是用于半导体本体2的半导体层序列的生长衬底。可替选地，支承体29也可以不同于生长衬底。在这种情况中，支承体不必满足对生长衬底的高要求，特别是在晶体纯度方面的高要求，而是可以在其他特性方面如导热性、导电性和/或机械稳定性方面进行选择。

此外，光电子器件1具有第一接触层61和第二接触层62。第一和第二接触层设置为使得在光电子器件的工作中，载流子可以通过这些接触层从不同的侧注入到泵浦区3中并且在那里通过电子-空穴对的复合产生辐射。接触层优选分别包括金属，譬如Au、Ag、Ti、Pt、Al或者Ni，或者具有上述金属至少之一的金属合金。

于是，泵浦区3被垂直地电泵浦，而以光学方式泵浦发射区4的泵浦辐射在横向方向上传播。

泵浦区3示例性地具有三个量子层31，在它们之间分别设置有势垒层32。在泵浦区中也可以构建数目不同于三个的量子层，譬如一个量子层、两个量子层或者四个或更多个量子层。

此外，发射区4具有一个量子层41。与此不同，发射区也可以包括两个或者更多个量子层。发射区4的量子层合乎目的地实施为使得电子-空穴对在发射区的量子层中的跃迁能小于在泵浦区3的量子层31中的跃迁能。在泵浦区中产生的泵浦辐射于是可以有效地在发射区中被吸收。

在光电子器件的工作中，一种电荷类型的载流子通过发射区4注入泵浦区3中。在所示的实施例中，发射区设置在载流子从第二接触层62至泵浦区3中的注入路径中。

合乎目的的是，半导体层在泵浦区的一侧至少部分地n导电地掺杂，并且在泵浦区的另一侧至少部分地p导电地掺杂。于是简化了载流子从泵浦区的两个不同侧进入泵浦区的注入。

例如，在泵浦区4和支承体29之间可以设置n导电的半导体层21和n导电的罩层20。在泵浦区4的背离支承体的侧上可以相应地设置p掺杂的半导体层22、24以及p导电的罩层23。罩层合乎目的地具有如下折射率：该折射率小于设置在罩层之间的半导体层的折射率。发射区和泵浦区设置在这些罩层之间。于是简化了在罩层之间的泵浦辐射和发射辐射的共同的侧向波引导。

发射区4和泵浦区3优选至少部分地设置在半导体本体的相同类型地掺杂的区域中。特别地，发射区可以完全地设置在n导电地掺杂的区域中，而泵浦区可以完全地或者至少部分地设置在n导电地掺杂的区域中。

发射区4和泵浦区3的半导体层可以关于其材料组分方面在大的范围中变动。

优选的是，发射区4和/或泵浦区3包含III-V化合物半导体材料。为了产生绿色发射辐射，合适的尤其是氮化物化合物半导体材料，其优选基于材料组分Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1。在表1中示出了图1中示出的层构造的示例性材料组分，其中发射区设计用于产生在绿色光谱范围中、譬如在532nm左右的辐射。

表1

层	材料组分	层厚
			第一接触层61	Au	1000nm
半导体层24	GaN	100nm
			罩层23	Al_0.06Ga_0.94N	600nm
半导体层22	GaN	88.58nm
			量子层31	In_0.051Ga_0.949N	4nm
势垒层32	GaN	8nm
			量子层31	In_0.051Ga_0.949N	4nm
势垒层32	GaN	8nm
			量子层31	In_0.051Ga_0.949N	4nm
中间层5	GaN	279.11nm
			发射区4的量子层41	In_0.10Ga_0.90N	2nm
半导体层21	GaN	420.83nm
			罩层20	Al_0.06Ga_0.94N	2000nm
支承体	GaN	90μm
			第二接触层62	Au	1000nm

发射辐射的峰值波长在此可以通过将发射区4的量子层41的厚度及其In含量适当组合来调节，其中峰值波长可以通过提高In含量和/或通过增大层厚度来提高。例如具有铟含量y为10％以及厚度为2nm的InGaN量子层41适于产生波长为大约532nm的发射辐射。与该量子层41邻接的半导体层21、5分别基于GaN并且由此具有带隙，该带隙大于量子层41的带隙。发射区也可以具有多于一个的量子层，其中量子层优选相同类型地实施。

对于泵浦区3的量子层31，在此适合的是具有厚度为4nm并且铟含量y为大约5.1％的量子层。势垒层32又基于GaN，于是具有与半导体层21、5(这些半导体层与发射区4的量子层41邻接)相同的组分。泵浦区具有三个量子层31。与此不同，也可以设计具有仅仅一个、两个或者多于三个的量子层的量子结构。

泵浦区3的量子层31于是具有比发射区4的量子层41更低的铟浓度。于是特别是与注入到发射区4的量子层中相比，简化了载流子至泵浦区3的量子层中的注入。

随着增大的铟含量使得载流子至量子层中的注入变得困难的原因在于压电场，该压电场在InGaN/GaN界面上形成。In含量越高，则这些压电场越强。

借助电泵浦的泵浦区3和通过该泵浦区以光学方式泵浦的发射区4，于是可以以简单的方式通过施加外部的电压来产生一个波长范围中的辐射，例如在绿色波长范围中的辐射。于是，可以产生绿色光谱范围中的相干辐射，譬如激光辐射，其中可以省去在非线性光学晶体中的转换。绿色相干辐射于是还在电泵浦的半导体本体2内产生。

在泵浦区3和发射区4之间设置有中间层5。借助该中间层可以调节泵浦辐射和发射区4之间的光学耦合。中间层的厚度优选为1nm到2μm之间，特别优选为5nm到1μm之间，其中均包括端点值。这结合图6A至6C进一步说明。

通过调节层厚度和/或材料组分，也可以产生其他的发射波长。优选的是，发射辐射的峰值波长在480nm到600nm之间，其中包括端点值。泵浦辐射的峰值波长优选在蓝色光谱范围或者紫外光谱范围中。

泵浦区3和发射区4设置在两个罩层23、20之间，它们分别包含Al_0.06Ga_0.94N，并且由此具有比设置在这些罩层20、23之间的GaN半导体层(譬如泵浦区3的势垒层32或者分别在发射区和泵浦区那一侧与罩层20和23邻接的半导体层21和22)更低的折射率。

不同于所描述的层序列的材料组分，发射区和/或泵浦区可以包含其他的半导体材料，尤其是III-V半导体材料。例如，发射区和/或泵浦区可以包含Al_xIn_yGa_1-x-ySb、Al_xIn_yGa_1-x-yAs或者Al_xIn_yGa_1-x-yP，分别有0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1。也可以使用具有氮含量z最高为5％的III-V半导体材料例如In_yGa_1-yAs_1-zN_z。通过合适地选择半导体材料以及半导体层厚度，于是可以在从紫外经过可见直到近红外或者中红外范围的宽的范围中调节发射辐射。例如，针对在中红外的辐射发射而设计的发射区可以借助在近红外发射的泵浦区来光学泵浦。

带有半导体层序列的半导体本体2具有辐射透射面26。辐射透射面倾斜于或者垂直于半导体本体2的半导体层序列的半导体层的主延伸方向并且由此在横向方向上形成半导体本体的边界。

辐射透射面26例如可以借助分裂或者折断或者借助刻蚀、譬如湿化学或者干化学刻蚀来制造。

在辐射透射面26上构建了耦合输出层7，借助该耦合输出层将对于发射辐射和/或泵浦辐射的反射率与反射率的预先给定的值或者预先给定的光谱分布匹配。必要时，也可以省去耦合输出层。不同于所示的实施例，耦合输出层7可以并不覆盖或者仅仅部分地覆盖接触层61、62和/或支承体29。

耦合输出层7可以针对发射辐射具有比对于泵浦辐射更小的反射率。耦合输出层7例如可以对于发射辐射具有最高70％、优选最高50％的反射率，而对于泵浦辐射具有至少70％、优选至少80％、特别优选至少90％的反射率。尤其是对于泵浦辐射并非设计用于从半导体本体2耦合输出而是仅仅用于对发射区4光泵浦的情况，耦合输出层对于泵浦辐射也可以具有至少80％、优选至少90％、特别优选至少95％的反射率。

在半导体本体2的与辐射透射面26对置的侧上构建有反射层28。反射层优选对于泵浦辐射以及对于发射辐射具有高的反射率。该反射率可以为至少50％、优选至少70％、特别优选至少80％、通常优选至少90％。

泵浦辐射也可以至少部分地设计用于从半导体本体2耦合输出。在这种情况中，耦合输出层7对于泵浦辐射的较小的反射率也可以是合乎目的的。

光电子器件于是可以同时提供发射辐射和泵浦辐射，即具有彼此不同的峰值波长的两种辐射部分，例如蓝色和绿色光谱范围中的辐射。发射辐射和泵浦辐射尤其是可以共线地穿过辐射透射面。可以省去具有不同峰值波长的辐射部分的费事的叠加。

此外，耦合输出层7也可以多层地构建。特别地，可以借助多个层来形成布拉格反射器。布拉格反射器优选借助介电地构建的层来形成。对于发射辐射或者对于泵浦辐射，这些层可以至少部分地具有发射辐射的峰值波长或者泵浦辐射的峰值波长的四分之一的光学层厚度(也即层厚度乘以折射率)。

介电层可以沉积在优选预制的半导体本体2上。这例如可以借助溅射或者气相淀积来进行。耦合输出层7例如可以包含氧化物譬如TiO₂或者SiO₂，或者氮化物譬如Si₃N₄，或者氮氧化物(Oxinitrid)譬如氮氧化硅。特别地，具有SiO₂层和Si₃N₄层的层对适合于耦合输出层。

对于耦合输出侧所描述的特征也可应用于反射层28。

在带有所描述的垂直结构的半导体本体2上或者半导体本体2中可以构建横向的结构化部。例如横向的结构化部可以根据DFB半导体激光器或者DBR半导体激光器的结构化来实施。

在图2中针对光电子器件的第二实施例示出了在包括泵浦区3和发射区4的半导体本体2的部分区域中导带边缘EC和价带边缘EV的示意性分布。该第二实施例基本上对应于结合图1所描述的第一实施例。

所绘出的z方向在此垂直于半导体本体2的半导体层序列的半导体层的主延伸方向。z方向由此沿着该半导体层的沉积方向走向。

如结合图1所描述的那样，泵浦区3和发射区4分别包括量子结构，其中泵浦区3示例性地具有三个量子层31而发射区4具有一个量子层41。在发射区4的量子层41中在导带边缘和价带边缘之间的能量差小于在泵浦区3的量子层31中在导带边缘和价带边缘之间的能量差。通过在泵浦区3的量子层31中电子-空穴对的发射辐射的复合而产生的辐射于是可以在发射区4中、尤其是在量子层41中被吸收。通过发射区4中的电子-空穴对的复合，于是可以产生具有如下峰值波长的相干辐射：该峰值波长大于泵浦辐射的峰值波长。所示的导带边缘和价带边缘的分布仅仅示意性地示出了单个半导体层的导带和价带的名义上的走向。在该强烈简化的视图中并未考虑由于边界效应引起的该分布的变化。

不同于结合图1所描述的实施例，在半导体本体2中构建有载流子势垒50。载流子势垒设置在发射区4和泵浦区3之间。

载流子势垒50构建在中间层5中，其中载流子势垒包含半导体材料，该半导体材料具有比邻接的半导体材料更大的带隙。例如，在GaN中间层中的载流子势垒可以实施为铝含量在10％到30％之间、优选在15％到25％之间的AlGaN载流子势垒，其中包括端点值。载流子势垒的厚度例如可以为10nm到50nm之间，其中包括端点值，譬如为20nm。

载流子势垒50具有价带边缘，该价带边缘在能量上比邻接的半导体材料的价带边缘更低。于是可以避免从泵浦区3的一侧通过泵浦区直到发射区4的空穴电流。通过这种方式，促进了载流子在泵浦区3内的发射辐射的复合。而导带边缘在载流子势垒50的区域中在恒定的高度上分布，使得电子可以不受阻挡地横越载流子势垒至泵浦区。

在图3A和3B中分别针对光电子器件的第三或者第四实施例示出了在包括泵浦区3和发射区4的半导体本体2的部分区域中的导带边缘EC和价带边缘EV的示意性分布。该分布如在图2中那样仅仅示意性示出了单个半导体层的导带和价带的名义上的分布，其中并未考虑边界效应。

在图3A中示出的第三实施例基本上对应于结合图2所描述的第二实施例。

不同于第二实施例，发射区4示例性地具有三个量子层41。

此外，不同于第二实施例，在泵浦区3和发射区4之间构建载流子势垒50，该载流子势垒实施为隧道势垒51。

在隧道势垒51的情况下，导带边缘E_C在能量上比邻接的半导体材料中更高。同时，价带边缘E_V在能量上比邻接的半导体材料中更低。隧道势垒优选具有最高10nm、特别优选最高5nm、譬如2nm的厚度。在邻接的GaN半导体材料情况下，例如带有在30％到70％之间的铝含量(其中包括端点值)的AlGaN层适于作为隧道势垒。

在这样实施的隧道势垒中，空穴的传输概率小于电子的传输概率。于是可以防止空穴穿过，而电子在很大程度上可以不受阻挡地通过隧道势垒。隧道势垒51由此是空穴势垒。

在泵浦区3的背离发射区4的侧上设置有另外的载流子势垒55，其实施为电子势垒。在此，电子势垒具有导带边缘，其在能量上高于邻接的半导体层的导带边缘。而价带边缘在很大程度上分布在与邻接的半导体材料相同的能量水平上，使得空穴实际上可以不受阻挡地横越电子势垒到泵浦区3。

例如铝含量在10％到30％之间、优选在15％到25％之间(其中均包括端点值)的AlGaN半导体层适于作为与GaN半导体材料邻接的电子势垒。电子势垒的厚度例如可以在10nm到50nm之间(其中包括端点值)，譬如20nm。

半导体本体2于是对于两种不同的电荷类型分别具有载流子势垒。通过这种方式，可以特别有效地将注入半导体本体中的载流子的发射辐射的复合限制在泵浦区上。

不同于所示的实施例，也可以省去实施为空穴势垒的载流子势垒50。在这种情况中，光电子器件于是仅仅具有电子势垒。

图3B所基于的光电子器件的第四实施例基本上对应于结合图3A所描述的第三实施例。与此不同，用作空穴势垒的载流子势垒50并非实施为隧道势垒。在此，空穴势垒可以如结合图2所描述的那样构建。

在图4中示出了对于结合图3B描述的光电子器件的第四实施例的导带边缘401和价带边缘402的分布的仿真结果。此外，该附图示出了作为沿着垂直方向z的位置的函数的、发射辐射的复合Rs的分布403。

借助载流子势垒50以及另外的载流子势垒55(它们分别针对空穴或者电子形成势垒)，可以将半导体本体2的电泵浦时发射辐射的复合Rs特别有效地限制到泵浦区上。这示出了发射辐射的复合Rs的分布403，其仅仅在泵浦区3的量子层的区域中具有不同于零的值。

不同于图2中以及图3A和3B中的视图，在所示的导带边缘和价带边缘的仿真的分布中也考虑了界面效应如压电场。这例如在导带边缘在发射区4的含铟的量子层和与其邻接的半导体层之间的界面上突然的上升和紧随其后的下降处表现出来。

图5A和5B分别示出了对于所说明的热阻与注入的电流I有关的输出功率P的仿真结果。在此，发射区对于在图5A中所示的曲线具有20μm的宽度，而对于图5B中所示的曲线具有10μm的宽度。在此，宽度涉及发射区的在半导体本体的半导体层的主延伸平面中以及垂直于发射方向走向的伸展。

这些仿真所基于的结构是，该结构如结合图1所描述的那样来实施。泵浦辐射在紫外光谱范围中，发射辐射在绿色光谱范围中。在辐射透射面方面，所基于的是对于紫外光谱范围90％的反射率，而对于绿色光谱范围10％的反射率。半导体本体的与耦合输出面对置的面(其同样形成谐振器面)的反射率对于绿色和紫外光谱范围分别为90％的反射率。根据仿真，发射辐射在3K/W的热阻情况下可以具有超过0.25W的功率。

图6A至6C分别示出了在垂直方向z上的泵浦辐射的电磁场603、613、623和发射辐射的电磁场604、614、624的仿真结果。

场分布分别被归一化地示出。此外，曲线601、611和621分别示出了折射率的定性的分布。

图6A至6C分别示出了如下情况：泵浦区3设计用于在第一级的光学模式中工作。发射区4设计用于在光学基本模式中工作。

所示的仿真曲线所基于的半导体层序列彼此不同之处在于，发射区4与泵浦区3的距离变化。在图6A中示出了如下情况：发射区4靠近泵浦辐射的光学模式的节点设置。于是泵浦辐射和发射区之间的光学耦合比较低。如在图6B和6C中所示，可以通过改变泵浦区和发射区之间的距离(在所示的情况下通过增大该距离)来增大泵浦辐射和发射区之间的光学耦合。通过合适地选择半导体层序列的半导体层的层厚度，尤其是通过泵浦区和发射区之间的距离，于是可以调节该光学耦合的强度。光学耦合越高，则泵浦辐射的在发射区中被吸收的部分会越大。通过这种方式，也可以提高发射辐射的输出功率。

在图7中示出了在垂直方向的导带边缘701和费米水平702的分布的仿真结果。此外，图7示出了电子密度分布703。这些仿真分别基于结合图3B所描述的光电子器件的第四实施例，其也是图4的基础。

在图8中示出了作为电压降U的函数的关联的电流密度j。这些仿真示例性地示出了具有三个量子层的发射区4的影响，其中这些量子层分别具有10％的铟含量。由于在含铟的量子层和邻接的GaN层之间的界面上形成的压电势垒，导致附加的电压降，由此提高了光电子器件的工作电压。

如图8所示，该附加的电压降在80kA/cm²的电流密度的情况下仅仅为1V。于是，发射区4的量子层虽然有高的铟含量仍然仅仅导致工作电压的较少提升，并且由此并不引起对光电子器件的光电子特征的明显影响。

在图9中针对耦合输出层的两个不同的实施例示出了作为波长λ的函数的反射率R的仿真结果。耦合输出层分别多层地构建，并且以布拉格反射器的形式来实施。所示的曲线120和121分别在405nm至470nm的波长范围中具有非常高的、至少90％的反射率。在520nm的波长情况下，反射率在曲线120的情况下接近0％，而反射率在曲线121的情况下为大约50％。所示的仿真表明，通过改变耦合输出层的布拉格反射器的层厚度可以实施辐射透射面，使得其对于蓝色或者紫外光谱范围中的泵浦辐射具有非常高的反射率。同时，对于发射辐射的反射率可与光电子器件的要求匹配地在宽的范围上调节。

在图10中示意性地示出了光电子器件的第五实施例。带有半导体层序列的半导体本体2在此尤其是可以如结合图1、2、3A或者3B所描述的那样实施。所示的光电子器件1具有外部反射器8，其用作谐振器85的端部反射器。谐振器85于是实施为外部谐振器。

半导体本体2和外部反射器8设置在安装支承体95上并且优选与该安装支承体机械稳定地连接。

外部反射器8与半导体本体2间隔。发射辐射于是经过自由辐射区域从半导体本体2至外部反射器8。在该自由辐射区域中，可以设置非线性光学元件9，譬如非线性光学晶体。借助该非线性光学元件可以将发射辐射和/或泵浦辐射通过非线性光学混频、尤其是倍频、譬如频率翻倍来转换到其他波长的辐射。例如，具有波长为532nm的绿色辐射可以频率翻倍到波长为266nm的紫外辐射中。

在所示的实施例中，半导体本体的辐射透射面26可以实施为使得其对于泵浦辐射是高反射性的，而对于发射辐射具有非常低的反射率，譬如20％或者更低、优选10％或者更低的反射率。辐射透射面26可以通过这种方式对于泵浦辐射表现为谐振器端面，而对于发射辐射而言外部的反射器8形成谐振器端面。发射辐射和泵浦辐射于是可以在谐振器中以不同的长度振荡。不同于所示的实施例，发射辐射也可以在其他类型的谐振器、譬如在环形谐振器中振荡。在这种情况中，半导体本体的与辐射透射面26对置的侧面可以对于发射辐射具有比较低的反射率，譬如20％或者更低、优选10％或者更低的反射率。

在图11中示意性地在侧视图中示出了光电子器件的第六实施例。附加于带有发射区4和泵浦区3的半导体本体2，该光电子器件具有辐射接收器200。

该辐射接收器200包括另外的半导体层序列210。该另外的半导体层序列的层构造、尤其是其辐射敏感的区域至少部分地对应于带有发射区4和泵浦区3的半导体层序列的层构造。用于辐射接收器200的半导体层序列以及带有泵浦区3和发射区4的半导体层序列于是可以在共同的沉积步骤中、譬如借助MOCVD或者MBE来制造。

辐射接收器200和带有发射区和泵浦区的半导体本体2可以设置在共同的支承体29上，该支承体可以借助用于半导体层序列的生长衬底来形成。在这种光电子器件中，于是发射区4、泵浦区3和辐射接收器200的辐射敏感的区域可以单片地集成。

在背离支承体29的侧上，辐射接收器具有接触层63。辐射接收器的接触层可以与接触层61一同沉积。

在光电子器件1的工作中，在接触层63和第二接触层62之间可以截取检测信号。

借助辐射接收器200例如可以监视发射辐射和/或泵浦辐射的强度。为此可以省去附加的光电子器件。

本专利申请要求德国专利申请102007045463.7和102007058952.4的优先权，它们的公开内容通过引用结合于此。

本发明并未通过借助实施例的描述而受到限制。更确切地说，本发明包括任意新的特征以及特征的任意组合，尤其是权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或者该组合本身并未明确地在权利要求中或者在实施例中说明。

Claims

1.一种光电子器件(1)，其具有带有半导体层序列的半导体本体(2)，其中

-半导体本体(2)的半导体层序列具有设计用于产生泵浦辐射的泵浦区(3)和设计用于产生发射辐射的发射区(4)；

-泵浦区(3)和发射区(4)相叠地设置；

-发射区(4)和泵浦区(3)设置在两个罩层(20，23)之间，其中罩层(20，23)在沿着半导体层序列的沉积方向来走向的垂直方向上引起泵浦辐射和发射辐射的共同的侧向的波引导，并且泵浦辐射和发射辐射共线地走向；

-泵浦辐射在光电子器件(1)的工作中以光学方式泵浦发射区(4)；以及

-在光电子器件(1)的工作中，发射辐射在横向方向上从半导体本体(2)出射。

2.根据权利要求1所述的光电子器件，其中发射辐射和泵浦辐射在横向方向上传播。

3.根据权利要求1至2中的任一项所述的光电子器件，在该光电子器件的工作中泵浦区(3)被电泵浦，其中一种电荷类型的载流子穿过发射区(4)注入到泵浦区(3)中。

4.根据权利要求1至2中的任一项所述的光电子器件，其中发射区(4)和/或泵浦区(3)具有量子结构，其中发射区(4)和泵浦区(3)分别具有量子层(31，41)，并且与发射区(4)的量子层(41)邻接的半导体层(5，21)的带隙同与泵浦区(3)的量子层(31)邻接的半导体层(32，22，5)的带隙一样大。

5.根据权利要求1至2中的任一项所述的光电子器件，其中在半导体本体(2)中构建载流子势垒(50)。

6.根据权利要求5所述的光电子器件，其中载流子势垒(50)实施为隧道势垒(51)。

7.根据权利要求5所述的光电子器件，其中载流子势垒(50)设置在发射区(4)和泵浦区(3)之间。

8.根据权利要求1至2中的任一项所述的光电子器件，其中在发射区(4)和泵浦区(3)之间的距离调节为使得泵浦辐射的预先给定的部分与发射区(4)光学耦合。

9.根据权利要求1至2中的任一项所述的光电子器件，其中发射区(4)和泵浦区(3)在垂直方向上分别设计用于在相同等级的光学模式中工作。

10.根据权利要求1至2中的任一项所述的光电子器件，其中发射区(4)和泵浦区(3)在垂直方向上设计用于在具有彼此不同等级的光学模式中工作。

11.根据权利要求1至2中的任一项所述的光电子器件，其中发射区(4)和/或泵浦区(3)包含III-V半导体材料。

12.根据权利要求1至2中的任一项所述的光电子器件，其中发射区(4)和/或泵浦区(3)包含Al_xIn_yGa_1-x-yN、Al_xIn_yGa_1-x-ySb、Al_xIn_yGa_1-x-yAs或者Al_xIn_yGa_1-x-yP，分别有0≤x≤1，0≤y≤1并且x+y≤1，或者包含具有最高为5％的氮含量的III-V半导体材料。

13.根据权利要求1至2中的任一项所述的光电子器件，其中半导体本体(2)具有辐射透射面(26)，该辐射透射面构建为使得其对于发射辐射具有比对于泵浦辐射更低的反射率。

14.根据权利要求1至2中的任一项所述的光电子器件，其中半导体本体(2)具有辐射透射面(26)，发射辐射(4)和泵浦辐射(3)共线地穿过该辐射透射面。

15.根据权利要求1至2中的任一项所述的光电子器件，该光电子器件具有辐射接收器(200)，其中该辐射接收器(200)具有另外的半导体层序列(210)，其中半导体层序列和所述另外的半导体层序列源于共同的半导体层序列，使得该辐射接收器的半导体层序列的层构造至少部分与带有泵浦区(3)和发射区(4)的半导体层序列的层构造相同。