光學單元的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種光學單元（4），該光學單元具有至少一個被設立用于電致發光的光學半導體器件（16）單元，利用所述光學半導體器件能產生圍繞輻射最大值分布的電磁輻射，其特征在于至少一個被布置在電磁輻射的光路中的短通邊緣濾波器，所述短通邊緣濾波器的極限波長（λlow-pass）比輻射最大值的波長（λpeak）大能預先給定的數值。
【專利說明】光學單元
【技術領域】
[0001]具有被設立用于電致發光的光學半導體器件的光學單元是已知的。光學半導體器件可以被構造為發光二極管，利用所述發光二極管能產生圍繞輻射最大值分布的電磁輻射。
【背景技術】
[0002]由光學半導體器件所產生的電磁輻射圍繞輻射最大值的分布特別是由相應材料的導帶中和價帶中的相應的狀態密度以及由以載流子對可能狀態的相應占據來決定，其中在該相應材料中電磁輻射應該被產生。對可能狀態的占據可以通過費米-狄拉克統計來描述并且是依賴于溫度的。可能狀態的占據的溫度依賴性導致由光學半導體元件所產生的電磁輻射圍繞輻射最大值的分布隨著溫度增加而變得更寬。由具有層結構的光學半導體器件所產生的電磁輻射的傳播此外可以由層厚度變化和各個層的組成中的不均勻性來決定。
【發明內容】
[0003]本發明的主題是具有至少一個被設立用于電致發光的光學半導體器件的光學單元，利用該光學半導體器件能產生圍繞輻射最大值分布的電磁輻射，該光學單元的特征在于至少一個被布置在電磁福射的光路中的短通邊緣濾波器(Kurzpasskantenfilter),該短通邊緣濾波器的極限波長比輻射最大值的波長大能預先給定的數值。
[0004]借助短通邊緣濾波器，由光學半導體器件所產生的電磁輻射被濾波，使得具有比該短通邊緣濾波器的極限波長大的波長的電磁輻射從由該光學半導體元件所產生的電磁輻射的光譜中被去除。由此實現，由光學單元所發射的電磁輻射不再包含該被濾除的較長波的光譜范圍。
[0005]在技術上基本上不能實現電磁輻射僅僅產生在光學半導體器件的pn結的范圍內。代替于此，由光學半導體器件所產生的電磁輻射通常包含特別是通過空穴發光所產生的較長波的光譜分量，所述光譜分量例如由光學半導體器件的P型區中的電磁輻射的產生決定。較長波的電磁輻射的這種大多不期望的產生特別是由光學半導體器件的通常的層結構以及用于層的材料的相應的質量決定。通過短通邊緣濾波器的根據本發明的使用，所提到的較長波的光譜分量可以從由光學半導體器件所產生的電磁輻射中被去除。由此可以實現關于由光學半導體器件所產生的電磁輻射的很高的光譜純度。
[0006]根據一種有利的擴展方案，短通邊緣濾波器被集成到光學半導體器件中。由此賦予光學單元節省空間的、緊湊的結構。
[0007]根據一種替代的有利的擴展方案，短通邊緣濾波器被布置在光學單元的另外的光學元件處。作為光學元件可以考慮例如透鏡、光學窗口、反射鏡、纖維組件或諸如此類的。
[0008]另一種有利的擴展方案規定，短通邊緣濾波器被構造為吸收濾波器、反射濾波器或法布里-珀羅干涉儀。反射濾波器例如可以被構造為介質反射鏡、特別是Bragg反射鏡(“distributed Bragg reflector (分布式Bragg反射器)”;DBR)。這有以下優點，即短通邊緣濾波器的極限波長不是如在吸收濾波器的情況下可能的情況那樣強烈地依賴于分別存在著的溫度。由此實現由相應地被構型的光學單元所發射的電磁輻射的波長范圍的穩定。被構造為法布里-珀羅干涉儀的短通邊緣濾波器根據其諧振腔的調節只讓具有很窄帶寬的電磁輻射通過。
[0009]此外被認為有利的是，短通邊緣濾波器的極限波長比以下的波長小，該波長大于輻射最大值的波長并且在該波長處由光學半導體器件所產生的電磁輻射的輻射強度下降到輻射最大值的輻射強度的一半。由此可以實現，由光學半導體器件所產生的、波長大于電磁輻射的輻射最大值的波長的電磁輻射盡最大可能地不被該光學單元發射。
[0010]根據另一種有利的擴展方案,光學單兀具有至少一個被布置在電磁福射的光路中的長通邊緣濾波器，該長通邊緣濾波器的極限波長比輻射最大值的波長小能預先給定的數值。借助該長通邊緣濾波器，由光學半導體器件所產生的電磁輻射被濾波，使得波長小于該長通邊緣濾波器的極限波長的電磁輻射從由該光學半導體元件所產生的電磁輻射的光譜中被去除。由此實現，由光學單元所發射的電磁輻射不再包含被濾除的較短波的光譜范圍。具有上面所提到的短通邊緣濾波器和這樣的長通邊緣濾波器的光學單元可以用于發射在被強烈限制的波長范圍內的電磁輻射。例如這樣的波長范圍可以具有2 nm的寬度。由此，單元特別是因為很多氣體分子的吸收帶具有I nm到2 nm的寬度，相應的光學單元很好地適合于分光鏡應用。
[0011]根據另一種有利的擴展方案，長通邊緣濾波器被集成到光學半導體器件中。由此賦予光學單元節省空間的、緊湊的結構。
[0012]此外被認為有利的是，長通邊緣濾波器被布置在光學單元的另外的光學元件處。作為光學元件在此也可以考慮例如透鏡、光學窗口、反射鏡、纖維組件或諸如此類的。
[0013]根據另一種有利的擴展方案，長通邊緣濾波器被構造為吸收濾波器、反射濾波器或法布里-珀羅干涉儀。反射濾波器例如可以被構造為介質反射鏡、特別是Bragg反射鏡(“distributed Bragg reflector” ;DBR)。這有以下優點，即長通邊緣濾波器的極限波長不是如在吸收濾波器的情況下可能的情況那樣強烈地依賴于分別存在著的溫度。由此實現由相應地被構型的光學單元所發射的電磁輻射的波長范圍的穩定。作為用于構造反射濾波器或吸收濾波器的材料可以使用氮化鋁鎵(AlGaN)。被構造為法布里-珀羅干涉儀的長通邊緣濾波器根據其諧振腔的調節只讓具有很窄帶寬的電磁輻射通過。
[0014]另一種有利的擴展方案規定，長通邊緣濾波器的極限波長比以下的波長大，該波長小于輻射最大值的波長并且在該波長處由光學半導體器件所產生的電磁輻射的輻射強度下降到輻射最大值的輻射強度的一半。由此可以實現，由光學半導體器件所產生的、波長小于電磁輻射的輻射最大值的波長的電磁輻射盡最大可能地不被該光學單元發射。
[0015]此外被認為有利的是，光學半導體器件產生UVC范圍內的電磁輻射。恰好在這樣的產生相對短波的范圍內的電磁輻射的光學半導體器件的情況下，出現在較長波的范圍內的干擾性的電磁輻射，該干擾性的電磁輻射可以利用短通邊緣濾波器從該電磁輻射中被濾除。光學半導體器件可以替代地被構造用于產生在其它的光譜范圍內的電磁輻射。例如光學半導體器件可以產生可見光譜范圍內的或IR光譜范圍內的電磁輻射。
[0016]此外，本發明的主題是一種用于探測流體中的至少一種物質的系統，該系統具有至少一個發射電磁輻射的光學單元和至少一個光學探測單元，其特征在于，該光學單元根據上述擴展方案之一或上述擴展方案的任意組合來構造。因此上面所提到的優點被結合。該系統特別是可以被用于分光鏡目的。
[0017]通過使用至少一個具有短通邊緣濾波器和長通邊緣濾波器的光學單元，由光學單元所發射的電磁輻射的光譜寬度可以最佳地適配于氣體分子的相對窄帶的吸收光譜，由此光學單元的發射光譜的由要探測的物質吸收的分量變得更大并且因此相應系統的靈敏度被改進。在同時使用多個發射不同光譜范圍內的電磁輻射的光學單元的情況下，特別是因為由各個光學單元所發射的電磁輻射的光譜不相互地重疊，通過適當地選擇短通邊緣濾波器和長通邊緣濾波器可以改進選擇性。因此可以運行具有多個光學單元和唯一的光學探測單元的相應的系統，該光學探測單元在相對大的光譜范圍上是靈敏的。
[0018]該光學系統可以被用于探測氣體和/或液體中的物質。該光學系統可以示例性地被用作廢氣傳感器。此外，該光學系統例如可以在醫療技術中、在呼吸氣體分析中、在商標識別中、在片上實驗室應用中、在通風設備中、在氣候控制中和在娛樂電子設備中、諸如在智能電話中、在游戲機或諸如此類的中被用于探測包含在流體中的物質。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]在下文中參考附圖借助優選的實施例示范性地解釋本發明，其中隨后所示出的特征不僅可以分別本身來說而且可以以不同的相互組合是本發明的一個方面。其中:
圖1示出光學半導體器件的發射光譜、長通邊緣濾波器的透射光譜和短通邊緣濾波器的反射光譜的一個實施例的示意圖，
圖2示出根據本發明的光學單元的結構的一個實施例的示意圖，以及圖3示出根據本發明的系統的一個實施例的示意圖。
【具體實施方式】
[0020]圖1示出被設立用于電致發光的光學半導體器件的發射光譜1、由氮化鋁鎵構成的長通邊緣濾波器的透射光譜2和作為介質反射鏡來構造的短通邊緣濾波器的反射光譜3的一個實施例的示意圖，其中長通邊緣濾波器和短通邊緣濾波器被布置在可由光學半導體器件產生的電磁輻射的光路中。
[0021]由光學半導體器件所產生的電磁輻射在波長λ peak = 227 nm時具有輻射最大值并具有半值寬度(“Full Width at Half Maximum (半峰全寬)”)FffHM = 9 nm,即發射UVC光譜范圍內的電磁輻射。短通邊緣濾波器具有極限波長λ low_pass = 230 nm,即比輻射最大值的波長λρΜ--大能預先給定的數值、即大3nm的極限波長λ?Μ_ρ_。此外，短通邊緣濾波器的極限波長XlOT_pass比以下的波長小，該波長大于輻射最大值的波長λ _,并且在該波長處由光學半導體器件所產生的電磁輻射的輻射強度下降到輻射最大值的輻射強度的一半。長通邊緣濾波器的極限波長λ cut_off = 225 nm比輻射最大值的波長λ peak小能預先給定的數值、即小2nm。此外，長通邊緣濾波器的極限波長λ心_。?比以下的波長大，該波長小于輻射最大值的波長λ peak并且在該波長處由光學半導體器件所產生的電磁輻射的輻射強度下降到輻射最大值的輻射強度的一半。通過借助短通邊緣濾波器和長通邊緣濾波器對由光學半導體器件所產生的電磁輻射進行濾波，光學單元發射具有5 nm的光譜寬度的電磁輻射。
[0022]圖2示出根據本發明的光學單元4的結構的一個實施例的示意圖。該光學單元4包括由氮化鎵(GaN)構成的P型接觸層5、由氮化招鎵(AlGaN)構成的p型注入層6、p型電子阻擋層7、勢壘層8和形成活躍的量子阱(Quantengraben)的層9。層9具有帶隙波長λρεΛ = 227 ηπι。電子阻擋層7和勢壘層8的帶隙波長小于λ peak。此外，該光學單元4包括由氮化鋁鎵(AlGaN)構成的η型緩沖層10，該η型緩沖層的帶隙波長同樣小于λ peak。該光學單元4此外具有構造長通邊緣濾波器的層11，其中該長通邊緣濾波器可以被構造為吸收濾波器、反射濾波器或吸收濾波器和反射濾波器的組合。該長通邊緣濾波器具有極限波長入cut-off = 225 nm。該光學單元4此外具有由氮化鋁鎵(AlGaN)構成的緩沖層12、由氮化鋁(AlN)構成的緩沖層13和對于可由層9產生的電磁輻射透明的、例如由氮化鋁、藍寶石或二氧化硅構成的襯底層14，其中這些層12、13和14的帶隙波長小于λρΜ--。此外，該光學單元4具有構造短通邊緣濾波器的層15，其中該短通邊緣濾波器被構造為介質反射鏡或法布里-珀羅干涉儀。層5到10和層12到14形成光學半導體器件16，長通邊緣濾波器通過層11并且短通邊緣濾波器通過層15被集成在該光學半導體器件中。
[0023]圖3示出根據本發明的用于探測流體21中的至少一種物質的系統17的一個實施例的示意圖。該系統17具有兩個發射電磁輻射19和20的光學單元4并且具有光學探測單元18。由光學單元4所產生的電磁輻射19和20在其通向光學探測單元18的路徑上延伸通過流體21。如果在流體21中存在物質，所述物質的吸收帶與至少一個光學單元4的發射光譜重疊，那么發生相應的電磁輻射的吸收，這可以借助該光學探測單元18來檢測。
【權利要求】
1.光學單元(4)，具有至少一個被設立用于電致發光的光學半導體器件(16)單元，利用所述光學半導體器件能產生圍繞輻射最大值分布的電磁輻射，其特征在于至少一個被布置在所述電磁輻射的光路中的短通邊緣濾波器，所述短通邊緣濾波器的極限波長(λ l?-pass)比所述福射最大值的波長(Xpffiik)大能預先給定的數值。
2.根據權利要求1所述的光學單元(4)，其特征在于，所述短通邊緣濾波器被集成到所述光學半導體器件(16)中。
3.根據權利要求1所述的光學單元(4)，其特征在于，所述短通邊緣濾波器被布置在所述光學單元(4)的另外的光學元件處。
4.根據上述權利要求之一所述的光學單元(4)，其特征在于，所述短通邊緣濾波器被構造為吸收濾波器、反射濾波器或法布里-珀羅干涉儀。
5.根據上述權利要求之一所述的光學單元(4)，其特征在于，所述短通邊緣濾波器的極限波長(λ low_pass)比以下的波長小，所述波長大于所述輻射最大值的波長(Apeak)并且在所述波長處由所述光學半導體器件(16)所產生的電磁輻射的輻射強度下降到所述輻射最大值的輻射強度的一半。
6.根據上述權利要求之一所述的光學單元(4)，其特征在于至少一個被布置在所述電磁輻射的光路中的長通邊緣濾波器，所述長通邊緣濾波器的極限波長(λ cut_off)比所述輻射最大值的波長(Apeak)小能預先給定的數值。
7.根據權利要求5所述的光學單元(4)，其特征在于，所述長通邊緣濾波器被集成到所述光學半導體器件(16)中。
8.根據權利要求5所述的光學單元(4)，其特征在于，所述長通邊緣濾波器被布置在所述光學單元(4)的另外的光學元件處。
9.根據權利要求5到7之一所述的光學單元(4)，其特征在于，所述長通邊緣濾波器被構造為吸收濾波器、反射濾波器或法布里-珀羅干涉儀。
10.根據權利要求5到8之一所述的光學單元(4)，其特征在于，所述長通邊緣濾波器的極限波長(入心_。?)比以下的波長大，所述波長小于所述輻射最大值的波長(Xpeak)并且在所述波長處由所述光學半導體器件(16)所產生的電磁輻射的輻射強度下降到所述輻射最大值的輻射強度的一半。
11.根據上述權利要求之一所述的光學單元(4)，其特征在于，所述光學半導體器件(16)產生UVC范圍內的電磁輻射。
12.用于探測流體(21)中的至少一種物質的系統(17)，具有至少一個發射電磁輻射的光學單元(4)和至少一個光學探測單元(18)，其特征在于，所述光學單元(4)根據上述權利要求之一來構造。
【文檔編號】H01L33/10GK104253183SQ201410291461
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年6月26日 優先權日:2013年6月27日
【發明者】R.菲克斯, P.松斯特勒姆, M.克奈斯爾, M.韋耶斯 申請人:羅伯特·博世有限公司