DE69013032T2

DE69013032T2 - Lichtaussendendes Halbleitersystem.

Info

Publication number: DE69013032T2
Application number: DE69013032T
Authority: DE
Inventors: Renshi Sawada; Junichi Shimada
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-02-24
Filing date: 1990-02-23
Publication date: 1995-01-26
Anticipated expiration: 2010-02-24
Also published as: US5084895A; EP0384849A2; EP0384849B1; DE69013032D1; EP0384849A3; JPH02222589A; JPH0744313B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein lichtaussendendes Halbleiter-System, insbesondere ein System mit einem lichtaussendenden Halbleiterelement, wie einem Laser oder einer Leuchtdiode, und eine mit dem lichtaussendenden Element integrierte Mikrolinse auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat.
Üblicherweise wird das von einem Halbleiter-Laser ausgesandte Licht mittels einer Mikrolinse fokussiert, die vom Laser getrennt angeordnet ist, wie es in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift 187320/87 dargestellt ist.
Dieser bekannte Stand der Technik hat jedoch die Nachteile, daß es schwierig ist, eine Linse so anzuordnen, daß die optische Achse eines Lasers mit der der Linse zusammenfällt, da die Linse vom Laser getrennt ist, und daß die Gesamtabmessungen des Systems, einschließlich Laser und Linse, ziemlich groß sind, da die Mikrolinse auch eine gewisse Größe und ein gewisses Gewicht hat.
Ferner ist die Kombination eines Halbleiterlasers und einer Wellenleiterlinse bekannt. Die bekannte Wellenleiterlinse hat jedoch den Nachteil, daß ein kleiner Lichtfleck, der kleiner als einige Mikrometer ist, nicht möglich ist, da die NA (numerische Apertur) größer als 0,2 ist, wobei ein Wirkungsgrad von mehr als 10% unmöglich ist, und daß ein Lichtstrahlenbündel nur in seitlicher, aber nicht in vertikaler Richtung fokussiert wird. Ein Lichtstrahlenbündel wird in vertikaler Richtung nicht fokussiert, sondern - wegen der kleinen Abmessungen eines Wellenleiters in vertikaler Richtung - sogar gebeugt.
Die Patent Abstracts of Japan, E-section, Vol. 8, Nr. 20, 13. September 1984, Seite 85 E 266 (JP-A-59-88 885) und die Patent Abstracts of Japan, P-section, Vol. 12, Nr. 161, 17. Mai 1988, Seite 127 P 702 (JP-A-62-275 332) offenbaren ein lichtaussendendes Halbleitersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die DE-A-2 451 018 offenbart konvexe und konkave Linsenelemente mit geeigneter Brechungsindex-Verteilung zur Fokussierung von Licht eines lichtaussendenden Halbleiterelements.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile und Einschränkungen eines bekannten lichtaussendenden Halbleitersystems durch Schaffung eines neuen und verbesserten lichtaussendenden Systems zu vermeiden.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein lichtaussendendes Halbleitersystem anzugeben, bei dem die Ausrichtung der optischen Achsen einer Lichtquelle und einer Linse einfach ist und das kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht aufweist.
Die obigen und andere Aufgaben werden durch ein lichtaussendendes Halbleitersystem gelöst, das aufweist:
ein Halbleitersubstrat mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche auf einer Hauptebene, die parallel zu einer XY-Ebene und senkrecht zu einer Z-Richtung ist;
ein lichtaussendendes Halbleiterelement, das auf der ersten Fläche des Halbleitersubstrats niedergeschlagen ist und einen geschichteten Halbleiterkörper mit einer aktiven Schicht, Überzugsschichten, zwischen denen die aktive Schicht liegt, und eine weitgehend senkrecht zur Hauptebene des Halbleitersubstrats stehende Ausgangsebene zum Aussenden eines Lichtstrahlenbündels aufweist, wobei das lichtaussendende Halbleiterelement eine mittlere optische Achse aufweist;
eine auf der zweiten Fläche des Halbleitersubstrats niedergeschlagene Mikrolinse mit einer mittleren optischen Achse, die mit der mittleren optischen Achse des lichtaussendenden Halbleiterelements zusammenfällt;
einen Spalt zwischen der Ausgangsebene des lichtaussendenden Elements und der Mikrolinse, der einen Brechungsindex von weitgehend 1 aufweist;
zwei Elektrodenschichten, die jeweils auf dem Halbleitersubstrat und dem lichtaussendenden Halbleiterelement angebracht sind, um das lichtaussendende Halbleiterelement an eine Betriebsspannung zu legen;
dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrolinse aus einer transparenten Schicht mit einer Dicke in Z-Richtung besteht, die nahezu gleich der Gesamtdicke des lichtaussendenden Halbleiterelements in Z-Richtung ist, wobei diese Schicht eine erste ebene Oberfläche, die der Ausgangsebene des lichtaussendenden Halbleiterelements zugekehrt ist, und eine zweite Oberfläche zum Aussenden eines Lichtstrahlenbündels aufweist, wobei die erste ebene Oberfläche und die zweite Oberfläche weitgehend senkrecht zur Hauptebene des Halbleitersubstrats stehen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorstehenden und anderen Ziele, Merkmale und angestrebten Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 den Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems,
Fig. 4 noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems,
Fig. 5 noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems,
Fig. 6 noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems,
Fig. 7 noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems,
Fig. 8 noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems,
Fig. 9 ein Beispiel der praktischen Anwendung des erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems,
Fig. 10 die Herstellungsverfahrensschritte des erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems und
Fig. 11 den praktischen Effekt bei der Anwendung des erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems im Vergleich zu einem bekannten System.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

(Ausführungsbeispiel 1)

Fig. 1 stellt das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems dar.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Halbleiterlaser und mit 2 eine Mikrolinse bezeichnet. Bei dem Halbleiterlaser 1 handels es sich um einen herkömmlichen, nur daß er gemeinsam mit einer Mikrolinse auf einem Halbleitersubstrat 11 niedergeschlagen ist.
Das Halbleitersubstrat 11 ist beispielsweise ein GaAs- Substrat vom N-Typ mit einer Hauptebene 11a, auf der sowohl ein geschichteter Halbleiterkörper 12 als auch eine Mikrolinse angeordnet sind.
Der geschichtete Halbleiterkörper 12 kann entweder ein Laser oder eine Leuchtdiode (LED) sein. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf einen Laser, doch ist der Schutzumfang der Erfindung nicht auf einen Laser beschränkt.
Ein Koordinatensystem XYZ ist so definiert, daß die Hauptebene 11 in einer XY-Ebene liegt und die Z-Achse senkrecht zur XY-Ebene steht. Der geschichtete Halbleiterkörper 12 und die Mikrolinse 2 sind längs der X-Achse auf dem gemeinsamen Halbleitersubstrat 11 niedergeschlagen.
Das Substrat 11 hat eine erste Fläche A, auf der der geschichtete Halbleiterkörper 12 niedergeschlagen ist, und eine zweite Fläche B, auf der die Linse 2 niedergeschlagen ist. Die erste und die zweite Fläche sind in X-Richtung angeordnet.
Wenn es sich bei dem Halbleiterelement 12 um einen Laser handelt, enthält es eine Überzugsschicht 12 aus AlGaAs vom N-Typ, eine aktive Schicht 14 aus GaAs vom I-Typ, eine weitere Überzugsschicht 15 aus AlGaAs vom P-Typ und eine Halbleiterschicht 16 zum Anbringen einer Elektrode aus GaAs vom P-Typ, die nacheinander auf dem Substrat 11 übereinandergeschichtet sind.
In dem Halbleiterelement 12 sind zwei Vertiefungen 17 und 18 so ausgebildet, daß sie bis zur Überzugsschicht 15, jedoch nicht bis zur aktiven Schicht 14 reichen, und die Überzugsschicht 15 hat die Form eines Streifens mit einer Hochebene, die sich in X-Richtung erstreckt. Die Elektrodenschicht 16 hat daher ebenfalls die Form eines langgestreckten Streifens. Die Vertiefungen 17 und 18 sind mit Isolierschichten 19 und 20 ausgefüllt, so daß diese Schichten bis zur Seite der Überzugsschicht 15 reichen. Diese Vertiefungen und die Streifenstruktur der Überzugsschicht sind für ein seitliches Divergieren von Licht in Y-Richtung vorteilhaft. Divergierendes Licht ist zur Fokussierung mittels einer Linse vorteilhaft.
Das Halbleiterbauelement 12 hat eine Laser-Ausgangsebene 21, die senkrecht zur Hauptebene 11a steht, und eine Endebene 21', die parallel zur Ausgangsebene 21 verläuft.
Die Elektrodenschicht 22 steht in ohmschem Kontakt mit der Bodenfläche 11b des Substrats 11. Eine weitere Elektrode 23 ist am Halbleiterbauelement 12 in ohmschem Kontakt mit der Schicht 16 angebracht und erstreckt sich auf den Isolationsschichten 19 und 20.
Auf der zweiten Fläche B der Hauptebene 11a des Substrats 11 ist eine Mikrolinse 2 angeordnet, so daß der Laser 1 und die Linse 2 in X-Richtung fluchten.
Die Mikrolinse 2 besteht aus der Schicht 30, die für Laserlicht transparent ist und eine Seitenfläche 31 hat, die senkrecht zur Hauptfläche 11a steht, um das Laser-Strahlenbündel aus der Ausgangsebene 21 aufzunehmen, und eine weitere Seitenfläche 32, um das der Linse durch die Seitenfläche 31 zugeführte Licht auszugeben.
Das transparente Material der Schicht 30 ist beispielsweise SiO&sub2; oder Polyimidharz oder Si-N-O oder ein organisches Material.
Die Linsenschicht 30 hat längs einer optischen Achse des Lasers, die parallel zur X-Achse verläuft, einen symmetrischen Aufbau. Die Eingangsfläche 31 ist parallel zur Ausgangsfläche 21 des Lasers 1 und senkrecht zur Hauptfläche 11a des Substrats 11.
Zwischen der Ausgangsebene 21 des Lasers 1 und der Eingangsfläche 31 der Linse 2 befindet sich ein Spalt oder Zwischenraum G. Die Länge des Spaltes zwischen den Schichten 21 und 31 liegt vorzugsweise zwischen 0,4 um und 1,5 um und hat einen Brechungsindex von etwa 1. Der Spalt kann mit einem Material gefüllt sein, sofern es einen Brechungsindex nahe 1 hat.
Der Spalt hat den Vorteil, daß er das Ausgangsstrahlenbündel des Lasers divergieren läßt. Das divergierende Strahlenbündel läßt sich vorteilhaft durch eine Linse fokussieren.
Die Ausgangsfläche 32 der Line 2 ist konvex, so daß die Linse 2 eine konvexe Linse ist.
Eine optische Achse des Lasers 1 und die der Linse 2 müssen sowohl in Y- als auch in Z-Richtung zusammenfallen. In diesem Fall kann die Hauptfläche 11a am Rand zwischen der ersten Fläche A und der zweiten Fläche B eine Abstufung aufweisen, so daß die Linse auf einer tieferen Ebene als der Laser 1 liegt, damit eine optische Achse des Lasers mit der Mitte der Linse in Z- Richtung zusammenfallen kann.
Wenn der Laser 1 über die Elektroden 22 und 23 an eine Spannungsquelle angeschlossen wird, emittiert er ein Lichtstrahlenbündel über die Ausgangsebene 21 in die Eingangsebene 31 der Linse 2. Die Linse 2 konvergiert oder fokussiert das Lichtstrahlenbündel in Y-Richtung, da es sich bei der Linse 2 um eine konvexe Linse handelt. Das Halbleitersystem nach Fig. 1 kann daher ein konvergierendes Lichtstrahlenbündel ohne eine äußere Linse erzeugen.
Es sei darauf hingewiesen, daß der Spalt G zwischen dem Laser 1 und der Linse 2 zum Fokussieren eines Lichtstrahlenbündels vorteilhaft ist, weil das Lichtstrahlenbündel zuerst in dem Spalt divergiert und dann in der Linse konvergiert. Ein divergierendes Lichtstrahlenbündel ist vorteilhaft, um es konvergieren zu lassen oder zu fokussieren.
Es sei auch darauf hingewiesen, daß eine optische Achse der Linse auch einfach mit einer optischen Achse eines Lasers durch Verwendung von Masken bei einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung ausgerichtet werden kann. Daher ist kein spezielles Verfahren zur Ausrichtung der optischen Achsen erforderlich.
Ferner sei darauf hingewiesen, daß eine auf einem Halbleitersubstrat niedergeschlagene Mikrolinse kleine Abmessungen im Vergleich zu einer bekannten separaten Mikrolinse hat. Ein Halbleitersystem, das einen Laser und eine Linse aufweist, hat daher kleine Abmessungen. Und wenn mehrere Laser in Matrixform angeordnet sind, kann jedes Strahlenbündel durch Verwendung der speziellen Linse für jedes Strahlenbündel fokussiert werden. Im Stand der Technik wird eine einzige Linse für mehrere Strahlenbündel gemeinsam verwendet, so daß das Fokussieren bei jedem Strahlenbündel unmöglich ist.
Ferner sei darauf hingewiesen, daß die Dicke der Linse 2 in Z-Richtung hinreichend groß ist, um eine Beugung in Z-Richtung zu vermeiden. Das Ausgangsstrahlenbündel divergiert daher nicht in Z-Richtung durch Beugung. Zu beachten ist ferner, daß die Dicke der Linse 2 nahezu gleich der Gesamtdicke des Lasers aus den Schichten 13, 14, 15, 19 und 23 ist. Wenn das Ausgangsstrahlenbündel des Lasers durch einen dünnen Wellenleiter hindurchgeht, würde es am Ausgang des Wellenleiters gebeugt.
Wenn es sich bei dem geschichteten Halbleiterkörper 12 um eine Leuchtdiode (LED) handelt, ist die Dicke der aktiven Schicht 14 größer als die der aktiven Schicht 14 des Lasers. Die Dicke der aktiven Schicht einer Leuchtdiode beträgt beispielsweise 0,5 um und die Dicke der aktiven Schicht eines Lasers 0,1 um. Ferner hat eine Leuchtdiode eine nichtreflektierende Überzugsschicht auf einer Ausgangsebene 21 und einer hinteren Ebene 21', während ein Laser keine solche Schicht hat.
Nachstehend wird anhand von Fig. 10 das Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems beschrieben.
Zunächst wird der Aufbau nach Fig. 10 (A) in herkömmlichen Verfahrensschritten hergestellt. Das N-Halbleitersubstrat 11 wird zunächst hergestellt, und dann wird die N-Überzugsschicht 13 auf dem Substrat 11 niedergeschlagen. Dann wird die aktive I-(intrinsische)-Schicht 14 auf der Überzugsschicht 13 niedergeschlagen. Dann wird die P-Überzugsschicht 15 auf der aktiven Schicht 14 niedergeschlagen. Dann wird die leitende, einen ohmschen Kontakt bildende Elektrodenschicht 16 auf der Überzugsschicht 15 niedergeschlagen. Auf diese Weise ergibt sich der in Fig. 10 (A) dargestellte Aufbau. Alternativ ist das Bauelement nach Fig. 10 (A) im Handel erhältlich.
Als nächstes wird der Streifenaufbau gemäß Fig. 10(B)-1 hergestellt, die den Querschnitt A-A der Fig. 10 (A) darstellt. Bei dem Schritt der Herstellung des Streifens wird die im ohmschen Kontakt stehende Elektrodenschicht 16 und ein Teil der Überzugsschicht 15 durch Ausbildung einer Vertiefung 17, 18 (Fig. 1) entfernt, so daß der verbleibende Teil als Laser wirkt. Bei diesem Schritt wird zunächst ein Fotolack auf der gesamten Oberfläche der Schicht 16 niedergeschlagen. Dann wird das Bauelement durch die Maske nach Fig. 10 (B)-4 abgedeckt. In Fig. 10 (B)-4 ist der schraffierte Teil transparent und der langgestreckte Teil S', der einem Streifen entspricht, und die Marke M opak. Dann wird das Bauelement mit ultraviolettem Licht durch die Maske nach Fig. 10 (B)-4 hindurch beleuchtet. Auf diese Weise wird das Bauelement durch das Lichtstrahlenbündel belichtet, mit Ausnahme im Bereich der opaken Teile. Danach wird das Bauelement entwickelt, wobei der belichtete Teil des Fotolacks entfernt wird. Dann wird das Bauelement durch ein Ionenstrahlenbündel aus Chlor (Cl&sub2;) beleuchtet, so daß der nicht durch den Fotolack abgedeckte Teil genutet wird. Die Tiefe der Nut wird so gewählt, daß sie bis zur Überzugsschicht 15, jedoch nicht bis zur aktiven Schicht 14 reicht. Danach wird der restliche Fotolack entfernt. Fig. 10 (B)-3 stellt eine Draufsicht nach dem Streifenbildungsschritt und Fig. 10 (B)-2 den Querschnitt der Fig. 10 (B)-3 dar. Die Maske nach Fig. 10 (B)-4 hat mehrere Streifenmuster S', so daß mehrere Streifen S gleichzeitig gebildet werden. Es sei darauf hingewiesen, daß die Maske eine Marke M zur Positionierung einer anderen Marke aufweist. Es sei darauf hingewiesen, daß das Muster der Marke M bei obigem Verfahrensschritt auf dem Halbleiterbauelement aufgedruckt wird.
Als nächstes wird ein geätzter Spiegel hergestellt und der Schritt zwischen der ersten Fläche, wo ein Laser angeordnet wird, und einer zweiten Fläche, wo eine Linse angeordnet wird, ausgeführt. Beim Ätzen eines Spiegels entsteht eine glatte Oberfläche in der Ausgangsebene 21 (Fig. 1) des Lasers. Bei diesem Verfahrensschritt wird die Maske nach Fig. 10 (C)-3 verwendet, so daß die Linie E mit der geätzten Spiegellinie E nach Fig. 10 (C)-2 oder der Ausgangsebene 21 zusammenfällt. Die positionierung der Maske nach Fig. 10 (C)-3 wird lediglich dadurch ausgeführt, daß man die Markierung M nach Fig. 10 (C)-3 mit der nach Fig. 10 (B)-4, die bei dem vorhergehenden Verfahrensschritt auf dem Halbleiterbauelement aufgedruckt wurde, zusammenfallen läßt. Die Positionierung einer Maske wird durch das Zusammenfallenlassen einer Markierung M der Maske mit der im vorhergehenden Schritt aufgedruckten Markierung in einem Mikroskopschirm bewirkt. Der gestrichelte Teil der Maske ist transparent und ein weiterer Teil der Maske opak. Zunächst wird der Fotolack auf der Oberfläche des Bauelements aufgebracht. Das Bauelememt wird durch die Maske nach Fig. 10 (C)-3 hindurch mit einem ultravioletten Strahlenbündel belichtet. Dann wird das Bauelement entwickelt, so daß der Fotolack auf dem unbelichteten Teil entfernt wird. Dann nehmen Chlorionen die Struktur heraus, wo kein Fotolack vorhanden ist. Der Rand des Lasers wird daher glatt, und das Substrat 11 hat eine Stufe, die die erste Fläche begrenzt, wo der Laser angeordnet wird, und eine zweite Fläche begrenzt, wo die Linse angeordnet wird. Schließlich wird der restliche Fotolack entfernt. Mit 2A in Fig. 10 (C)-1 ist der abgestufte Teil der zweiten Fläche des Substrats 11 bezeichnet.
Schließlich werden die Isolationsschichten in dem vertieften Teil zwischen den Streifen niedergeschlagen und die Elektrodenschichten 22 und 23 auf herkömmliche Weise niedergeschlagen.
Als nächstes wird auf der zweiten Fläche des Substrats 11 die Linse 2 hergestellt. Dieser Verfahrensschritt wird anhand von Fig. 10D erläutert.
Die Ätzmaske für diesen Schritt ist in Fig. 10 (D)-3 dargestellt, bei der die schraffierten Teile transparent und die anderen Teile opak sind. Die Maske nach Fig. 10 (D)-3 hat die gleiche Markierung M wie die der anderen Masken für die Positionierung der Maske. Zunächst wird das Material der Linse (SiO&sub2; oder Si-N-O oder Polyamidharz oder ein organisches Material) auf der zweiten Fläche 2A niedergeschlagen, so daß die Höhe des niedergeschlagenen Materials etwas höher als die des Streifens S ist. Dann wird das gesamte Bauelement mit Fotolack abgedeckt. Als nächstes wird das Bauelement durch ein ultraviolettes Lichtstrahlenbündel durch die Maske nach Fig. 10 (D)-3 hindurch belichtet, so daß nur die Linsenteile belichtet werden. Dann wird der Fotolack von den Linsenteilen durch Entwicklung entfernt. Danach werden Chromionen (Cr) durch die Maske hindurch auf dem Bauelement aufgesprüht, so daß die Linsenteile mit einer Chromschicht bedeckt sind. Dann wird der restliche Fotolack (von Nicht-Linsenteilen) entfernt. Als nächstes wird das Linsenmaterial von denjenigen Teilen, auf denen keine Linse vorhanden ist, durch Ionenzerstäubung von C&sub3;F&sub8; entfernt. Gleichzeitig wird ein Spalt zwischen der Linse und dem Laser in diesem Schritt erzeugt. Auf diese Weise entsteht die in Fig. 10 (D)-1 und Fig. 10 (D)-2 dargestellte Linse 2. Um den Brechungsindex zu bestimmen, wird die Konzentration von Stickstoff (N) beim Niederschlagen von Si-N-O entsprechend eingestellt.
Aus diesen Verfahrensschritten ersieht man, daß die Ausrichtung der optischen Achse des Lasers (oder einer Leuchtdiode) und der optischen Achse der Linse selbsttätig während der Fotoätzschritte durch Positionierung von Markierungen der Masken bewirkt wird.
Nachstehend werden spezielle Effekte der vorliegenden Erfindung anhand von Fig. 11 beschrieben. Wenn mehrere lichtaussendende Bauelemente in einer Reihe mit kurzen Abständen zur gleichzeitigen Beleuchtung mehrerer Spuren eines optischen Speichermediums angeordnet werden, wird üblicherweise eine gemeinsame Linse 40 zum Fokussieren aller Lichtstrahlenbündel (a) bis (e) des lichtaussendenden Bauelements L' verwendet, wie es in Fig. 11A dargestellt ist. Wegen der unerwünschten Aberration der Linse 40 können jedoch nicht alle Lichtstrahlenbündel gleichzeitig fokussiert werden. Wenn das Lichtstrahlenbündel C, das durch den mittleren Teil der Linse 40 hindurchgeht, an der Stelle c' auf dem Bildschirm 42 fokussiert wird, werden die anderen Lichtstrahlenbündel a, b, d und e, die durch die Randteile der Linse 40 hindurchgehen, an den Stellen a', b', d' und e' fokussiert, die nicht auf dem Bildschirm 42 liegen. Daher kann nur ein Lichtstrahlenbündel (a) fokussiert (scharf eingestellt) werden, während die anderen Lichtstrahlenbündel nicht scharf eingestellt sind. Diese Aberration ist bei einer einzigen gemeinsamen Linse 40, die für mehrere Lichtstrahlenbündel verwendet wird, unvermeidlich.
Dagegen hat erfindungsgemäß eine Lichtquellenreihe L, die mehrere lichtaussendende Bauelemente (a) bis (e) aufweist, für jedes lichtaussendende Bauelement eine eigene Linse 2. Die Linsen 2 fokussieren die Lichtstrahlenbündel (a) bis (e) jeweils an den Stellen bzw. in den Brennpunkten a', b', c', d' und e', wie es in Fig. 11B dargestellt ist, so daß die Länge bis zum Punkt c' kürzer als die Länge bis zum Punkt b' oder d' und die Länge bis zum Punkt b' oder d' kürzer als die Länge bis zum Punkt a' oder e' ist, wie es in Fig. 11B dargestellt ist. Wenn diese Lichtstrahlenbündel alle durch die Linse 40 hindurchgeleitet werden, werden sie alle in den Punkten a", b", c", d" und e" fokussiert, die auf dem Bildschirm 42 liegen. Das heißt, die Aberration der Linse 40 wird durch die Differenz der Brennweiten der einzelnen Linsen der Linsenanordnung 2 ausgeglichen.

(Ausführungsbeispiel 2)

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems. Die gleichen Bauelemente in den Fig. 2 und 1 sind mit gleichen Bezugszahlen versehen.
Das Merkmal der Fig. 2 im Vergleich zu Fig. 1 ist der Aufbau einer Mikrolinse 202, die eine transparente Schicht 230 aufweist und die Mikrolinse 2 nach Fig. 1 ersetzt.
Die ausgangsseitige Oberfläche 32 der Mikrolinse 202 in Fig. 2 ist konkav, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, so daß die Mikrolinse 202 als konkave Linse in Y-Richtung wirkt, während die Mikrolinse 2 in Fig. 1 als konvexe Linse wirkt.
Da die Mikrolinse 202 eine konkave Linse ist, divergiert ein Lichtstrahlenbündel in einer zur Hauptebene 11a des Halbleitersubstrats 11 parallelen Ebene.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Mikrolinse 202 die gleichen Effekte wie die Mikrolinse 2 nach Fig. 1 hat, nur daß die Mikrolinse 202 konkav ist. Es ist einfach, die optische Achse der Mikrolinse 202 mit der des lichtaussendenden Elements 1 bei der Herstellung auszurichten. Die Mikrolinse 202 hat kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht, wie die Mikrolinse 2 in Fig. 1. Da ferner die Abmessungen der Mikrolinse größer als 50 um in jeder Richtung sind, wird kein Lichtstrahl gebeugt.

(Ausführungsbeispiel 3)

Fig. 3 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems dar. In den Fig. 3 und 1 gleiche Bauteile sind wiederum mit gleichen Bezugszahlen versehen. Das Merkmal des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 ist eine Mikrolinse 302 anstelle der Mikrolinse 2 nach Fig. 1. Die Mikrolinse 302 nach Fig. 3 besteht aus einer transparenten Schicht 330, die ein flache Form mit flacher Eingangsebene 31 senkrecht zur Hauptebene 11a des Halbleitersubstrats 11 und eine konvexe Ausgangsebene senkrecht zur Hauptebene 11a aufweist.
Das wichtige Merkmal der Mikrolinse 302 ist die Brechungsindexverteilung der Schicht 330 in Z-Richtung, so daß der Brechungsindex im mittleren Teil 33 in Z-Richtung größer als der der Endteile in Z-Richtung ist. Vorzugsweise ist die Brechungsindexverteilung in Z- Richtung symmetrisch.
Die erwünschte Verteilung des Brechungsindex in Z-Richtung (in Richtung der Dicke) einer Mikrolinse wird durch Einstellung des Anteils von Stickstoff (N) bewirkt, wenn Si-N-O niedergeschlagen wird, um die transparente Schicht 330 für die Mikrolinse 302 auf dem Halbleitersubstrat 11 zu erzeugen. Der Anteil an Stickstoff ist zunächst für einen kleinen Brechungsindex klein und wird dann allmählich für einen größen Brechungsindex gesteigert. Wenn die Dicke der Schicht 330 die Hälfte der endgültigen Dicke erreicht, wird anschließend beim Niederschlagen der Stickstoffanteil allmählich zum kleineren Brechungsindex hin verringert.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Mikrolinse 302 nach Fig. 3 einen Lichtstrahl nicht nur in Y-Richtung, sondern auch in Z-Richtung wegen des konvexen Profils der Ausgangsebene 32 und der erwähnten Brechungsindexverteilung konvergieren oder fokussieren kann, während die Mikrolinse 2 nach Fig. 1 ein Lichtstrahlenbündel nur in Y-Richtung konvergiert oder fokussiert.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Mikrolinse 302 nach Fig. 3 die gleichen Effekte wie die Mikrolinse 2 nach Fig. 1 aufweist, nur daß die Mikrolinse 302 die Brechungsindexverteilung aufweist. Es ist daher leicht, die optische Achse der Mikrolinse 302 mit der eines lichterzeugenden Elements 1 bei der Herstellung auszurichten oder zusammenfallenzulassen. Die Mikrolinse 302 hat kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht, wie im Fall der Mikrolinse 2 nach Fig. 1. Da die Mikrolinse 302 ferner in jeder Richtung größer als 50 um ist, erfolgt keine Beugung der Lichtstrahlen.
Ferner sei darauf hingewiesen, daß der unerwünschte Astigmatismus eines Halbleiterlasers 1 durch geeignete Wahl der konvexen Krümmung der Ausgangsebene 32 und der Brechungsindexverteilung beseitigt ist. Der Astigmatismus ist eine Art von Aberration, bei der die Brennweite in Y-Richtung von der in Z-Richtung abweicht.

(Ausführungsbeispiel 4)

Fig. 4 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems dar. Gleiche Bauteile in den Fig. 2 und 4 sind wiederum mit gleichen Bezugszahlen versehen.
Das Merkmal des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist das Vorhandensein der Mikrolinse 402, die aus einer transparenten Schicht 430 besteht.
Die transparente Schicht 430 hat eine solche Brechungsindexverteilung, daß der Brechungsindex im mittleren Teil in Dickenrichtung (Z-Richtung) am kleinsten und zu den Enden der Schicht 430 hin allmählich zunimmt. Vorzugsweise ist die Verteilung symmetrisch zur mittleren Ebene in Dickenrichtung (Z-Richtung) der Schicht 430. Diese Brechungsindexverteilung wird durch entsprechende Einstellung des Anteils an Stickstoff (N) in Si-N-O erreicht, die die transparente Schicht 430 bildet, so daß der Anteil an N beim Niederschlagen zunächst hoch ist, dann zur Mitte der Schicht hin abnimmt und von der Mitte zum oberen Ende der Schicht 430 hin wieder allmählich zunimmt. Man sieht daher, daß die Mikrolinse 402 wie eine konkave Linse in Z-Richtung wirkt. Da die Linse 402 wegen des vertieften Profils der Ausgangsebene 32 auch in Y-Richtung als konkave Linse wirkt, wirkt sie sowohl in Y- als auch in Z-Richtung als konkave Linse.
Ein Lichtstrahlenbündel wird daher sowohl in Y- als auch in Z-Richtung divergiert.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 hat ähnliche Effekte wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2: Es ist einfach, eine optische Achse in der Mikrolinse 402 bei der Herstellung mit der des lichtaussendenden Elements 1 zusammenfallenzulassen. Die Mikrolinse 402 hat kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht. Da sie in allen Richtungen größer als 50 um ist, erfolgt auch keine Beugung eines Lichtstrahls.
Der Astigmatismus des Lichtstrahlenbündels wird durch geeignete Wahl der Krümmung oder Kurve 32 und der Brechungsindexverteilung der Schicht 430 beseitigt, wie im Fall des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3.

(Ausführungsbeispiel 5)

Fig. 5 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems dar. In Fig. 5 sind die gleichen Bauteile wie in den Fig. 1 und 2 mit gleichen Bezugszahlen versehen.
Das Merkmal des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 besteht darin, daß eine erste Mikrolinse und eine zweite Mikrolinse 202 im gleichen Lichtstrahlengang ausgebildet sind. Die Mikrolinse 2 in Fig. 5 ist die gleiche wie die nach Fig. 1, und die Mikrolinse 202 ist die gleiche wie die nach Fig. 2.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 erzeugt ein divergierendes Lichtstrahlenbündel, das stärker divergiert als das nach Fig. 2, da das Eingangs-Lichtstrahlenbündel der konkaven Linse 202 in Fig. 5 bereits durch die Linse 2 divergiert ist.
In ähnlicher Weise ist die Fokussierung eines Ausgangslichtstrahlenbündels, wenn eingangsseitig eine konkave Linse und ausgangsseitig hinter der konkaven Linse eine konvexe Linse angeordnet wird, besser als bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.

(Ausführungsbeispiel 6)

Fig. 6 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems dar. Gleiche Bauteile in Fig. 5 und in den Fig. 3 und 4 sind mit gleichen Bezugszahlen versehen.
Das Merkmal des Ausführungsbeispiels nach Fig. 6 besteht darin, daß die Linse 302, ähnlich wie die Mikrolinse in Fig. 3, und die Linse 402, ähnlich wie die Mikrolinse in Fig. 4, im Lichtstrahlengang ausgebildet sind.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 erzeugt einen divergierenden Lichtstrahl, der stärker divergiert als der nach Fig. 4, und zwar aus dem gleichen Grund wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5.
Als Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 6 ist es möglich, zuerst eine konkave Linse 402 anzuordnen und dann eine konvexe Linse 302 am Ausgang der konkaven Linse 402. In diesem Fall wird ein besonders scharf fokussiertes Lichtstrahlenbündel erzeugt.

(Ausführungsbeispiel 7)

Fig. 7 stellt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen lichtaussendendem Halbleitersystems dar. Gleiche Bauteile in den Fig. 3 und 7 sind mit gleichen Bezugszahlen versehen.
Das Merkmal des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7 ist die Anwesenheit der Mikrolinse 702, die aus einer transparenten Schicht 730 besteht.
Die Mikrolinse 702 hat eine rechteckige Form mit einer Eingangsebene 31a, die im wesentlichen parallel zur Eingangsebene 31 der Mikrolinse 2 ist, und eine Ausgangsebene 32a, die im wesentlichen parallel zur Eingangsebene 31a ist. Die Höhe oder Dicke der Linse 702 ist weitgehend gleich der der Linse 2. Der Brechungsindex der Linse 702 hat die gleiche Verteilung in Z- Richtung wie die Linse 302 nach Fig. 3. Das heißt, der Brechungsindex im mittleren Teil in Dickenrichtung (Z- Richtung) der Linse 702 ist größer als in den Endteilen.
Ein Ausgangslichtstrahlenbündel des Lasers 1 wird zuerst in Y-Richtung durch die erste Linse 2 und dann in Z-Richtung durch die Linse 702 konvergiert. Das Lichtstrahlenbündel wird daher sowohl in Y- als auch in Z- Richtung fokussiert. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 kann die gleichen Eigenschaften in Y-Richtung und in Z-Richtung des Ausgangsstrahls getrennt ausbilden, indem die beiden Linsen 2 und 702 entsprechend ausgelegt werden.

(Ausführungsbeispiel 8)

Fig. 8 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems dar. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 7, und das Merkmal des Ausführungsbeispiels nach Fig. 8 liegt in der Positionierung der Linsen 2 und 702. Die Linse 2, die die Brechungsindexverteilung in Z-Richtung aufweist, wird zuerst im Lichtstrahlengang angeordnet, und die Linse 2 mit der gekrümmten Fläche wird am Ausgang der Linse 702 angeordnet. Ein Ausgangslichtstrahlenbündel des Lasers 1 wird in ähnlicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 fokussiert.
Fig. 9 stellt einen praktischen Aufbau des erfindungsgemäßen lichtaussendenden Halbleitersystems dar. Nach Fig. 9 ist eine Nut 802 auf dem Halbleitersubstrat 11 ausgebildet und eine Lichtleitfaser 800 in der Nut 802 angeordnet, so daß ein Ausgangslichtstrahlenbündel der Mikrolinse 2 in die Lichtleitfaser 800 geleitet wird. Vorzugsweise ist die Lichtleitfaser 800 so angeordnet, daß ihre optische Achse mit der der Linse 2 zusammenfällt. Die Nut 802 dient der Fixierung der Lichtleitfaser 800.
Dem Fachmann sind natürlich Abwandlungen der geschilderten Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise kann die Fläche 31 einer Linse konkav oder konvex sein, um eine konvexe oder konkave Linse zu bilden.
Das anhand von Fig. 10 beschriebene Herstellungsverfahren kann bei allen Ausführungsbeispielen angewandt werden, und alle Ausführungsbeispiele haben den anhand von Fig. 11B beschriebenen Effekt. Ein Spalt oder Zwischenraum mit einem Brechungsindex, der nahezu gleich 1 ist, kann zwischen den beiden Linsen bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 5 bis 8 vorgesehen sein.
Aus Vorstehendem ergibt sich, daß ein neues und verbessertes lichtaussendendes Halbleitersystem erfunden wurde.

Claims

1. Lichtaussendendes Halbleitersystem, das aufweist:

ein Halbleitersubstrat (11) mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche auf einer Hauptebene (11a), die parallel zu einer XY-Ebene und senkrecht zu einer Z-Richtung ist;

ein lichtaussendendes Halbleiterelement (1), das auf der ersten Fläche des Halbleitersubstrats (11) niedergeschlagen ist und einen geschichteten Halbleiterkörper (12) mit einer aktiven Schicht (14) Überzugsschichten (13, 15), zwischen denen die aktive Schicht (14) liegt, und eine weitgehend senkrecht zur Hauptebene (11a) des Halbleitersubstrats (11) stehende Ausgangsebene (21) zum Aussenden eines Lichtstrahlenbündels aufweist, wobei das lichtaussendende Halbleiterelement eine mittlere optische Achse aufweist;

eine auf der zweiten Fläche des Halbleitersubstrats (11) niedergeschlagene Mikrolinse (2) mit einer mittleren optischen Achse, die mit der mittleren optischen Achse des lichtaussendenden Halbleiterelements zusammenfällt;

einen Spalt (G) zwischen der Ausgangsebene (21) des lichtaussendenden Elements und der Mikrolinse (2), der einen Brechungsindex von weitgehend 1 aufweist;

zwei Elektrodenschichten, die jeweils auf dem Halbleitersubstrat und dem lichtaussendenden Halbleiterelement angebracht sind, um das lichtaussendende Halbleiterelement an eine Betriebsspannung zu legen;

dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrolinse (2) aus einer transparenten Schicht (30; 230; 330; 430; 730) mit einer Dicke in Z-Richtung besteht, die nahezu gleich der Gesamtdicke des lichtaussendenden Halbleiterelements (1) in Z-Richtung ist, wobei diese Schicht eine erste ebene Oberfläche (31), die der Ausgangsebene (21) des lichtaussendenden Halbleiterelements (1) zugekehrt ist, und eine zweite Oberfläche (32) zum Aussenden eines Lichtstrahlenbündels aufweist, wobei die erste ebene Oberfläche (31) und die zweite Oberfläche (32) weitgehend senkrecht zur Hauptebene (11a) des Halbleitersubstrats (11) stehen.

2. Lichtaussendendes Halbleitersystem nach Anspruch 1, bei dem die Mikrolinse (2) eine konvexe Linse (2) ist, deren zweite Oberfläche (32) konvex ist.

3. Lichtaussendendes Halbleitersystem nach Anspruch 1, bei dem die Mikrolinse eine konkave Linse (202) ist, deren zweite Oberfläche (32) konkav ist.

4. Lichtaussendendes Halbleitersystem nach Anspruch 2, bei dem die Mikrolinse (302) eine solche Brechungsindexverteilung hat, daß der Brechungsindex im mittleren Teil (33) in Richtung seiner Dicke in Z- Richtung der Mikrolinse (302) größer als in den Endteilen in Richtung seiner Dicke in Z-Richtung der Mikrolinse ist.

5. Lichtaussendendes Halbleitersystem nach Anspruch 3, bei dem die Mikrolinse (402) eine solche Brechungsindexverteilung hat, daß der Brechungsindex im mittleren Teil in Richtung der Dicke in Z-Richtung der Mikrolinse kleiner als in den Endteilen (33) in Richtung der Dicke in Z-Richtung der Mikrolinse ist.

6. Lichtaussendendes Halbleitersystem nach Anspruch 1, bei dem die Mikrolinse aus einer ersten konvexen Linse (2) besteht und das lichtaussendende Halbleitersystem ferner eine zweite konkave Linse (202) aufweist, die längs des Lichtstrahlengangs des lichtaussendenden Elements hintereinander angeordnet ist.

7. Lichtaussendendes Halbleitersystem nach Anspruch 6, bei dem die erste konvexe Linse (302) eine solche Brechungsindexverteilung hat, daß der Brechungsindex im mittleren Teil (33) in Richtung der Dicke längs der Z-Achse der konvexen Linse (302) größer als in den Endteilen in Richtung der Dicke längs der Z-Richtung der zweiten konvexen Linse (302) ist, und bei dem die zweite konkave Linse (402) eine solche Brechungsindexverteilung hat, daß der Brechungsindex im mittleren Teil (32) in Richtung der Dicke längs der Z-Richtung der konkaven Linse (402) kleiner als in den Endteilen (33) in Richtung der Dicke längs der Z-Richtung der konkaven Linse (402) ist.

8. Lichtaussendendes Halbleitersystem nach Anspruch 1, bei dem die Mikrolinse aus einer ersten konvexen Linse (2) besteht, bei der die zweite Oberfläche (32) gekrümmt ist, wobei das lichtaussendende Halbleitersystem ferner eine zweite konvexe Linse (702) mit einer Eingangsebene (31a) und einer Ausgangsebene (32a), die beide parallel zur Ausgangsebene (21) des lichtaussendenden Elements (1) sind, und einer solchen Brechungsindexverteilung aufweist, daß der Brechungsindex im mittleren Teil in Richtung der Dicke längs der Z-Richtung der zweiten Linse größer als in den Endteilen in Richtung der Dicke längs der Z-Richtung der zweiten Linse (702) ist.

9. Lichtaussendendes Halbleitersystem nach Anspruch 1, bei dem das lichtaussendende Halbleiterelement (1) ein Halbleiterlaser ist.

10. Lichtaussendendes Halbleitersystem nach Anspruch 1, bei dem das lichtaussendende Halbleiterelement (1) eine lichtaussendende Diode ist.

11. Lichtaussendendes Halbleitersystem nach Anspruch 1, bei dem die Länge des Spaltes (G) zwischen 0,4 um und 1,5 um liegt.

12. Lichtaussendendes Halbleitersystem nach Anspruch 1, bei dem die Dicke in Z-Richtung der zweiten Fläche des Halbleitersubstrats kleiner als die der ersten Fläche des Halbleitersubstrats ist, mit einer Stufe am Rand der ersten und der zweiten Fläche.

13. Lichtaussendendes Halbleitersystem nach Anspruch 1, bei dem das transparente Material der Mikrolinse (2) ein aus den Materialien SiO&sub2;, Si-N-O und Polyimidharz ausgewähltes Material ist.

14. Lichtaussendendes Halbleitersystem nach Anspruch 1, bei dem das Halbleitersubstrat ein N-leitender Halbleiter, die erste Überzugsschicht ein N-leitender Halbleiter, die aktive Schicht ein 1-Halbleiter und die zweite Überzugsschicht ein P-leitender Halbleiter ist.

15. Anordnung aus lichtaussendenden Halbleitersystemen mit mehreren lichtaussendenden Elementen und Mikrolinsen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der jede Mikrolinse eine besondere Brennweite hat.