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Die
Druckschrift
US 6,534,798 beschreibt eine
lichtemittierende Diode, deren Abstrahlcharakteristik mit Hilfe
von Oberflächenplasmonen verbessert ist.
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Bei
der lichtemittierenden Diode der Druckschrift
US 6,534,798 ist eine strukturierte
Metallschicht direkt auf dem Halbleitermaterial der lichtemittierenden
Diode aufgebracht. Aufgrund der dielektrischen Eigenschaften der
Metalle und Halbleiter weist die Oberflächenplasmon-Mode
einen hohen Überlapp mit dem Metall auf, was zu erhöhter
Absorption im Metall und damit zu sehr kurzen Absorptionslängen
führt. Die Absorptionslänge ist dadurch in der
gleichen Größenordnung wie die Strukturgröße der
strukturierten Metallschicht. Aus diesem Grund ist die Wirkung der
Nanostrukturierung, das heißt die Verbesserung der Auskopplung
des in der lichtemittierenden Diode erzeugten Lichts, deutlich reduziert.
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Eine
zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches
Halbleiterbauelement anzugeben, das eine verbesserte Effizienz aufweist.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements
umfasst das Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper.
Der Halbleiterkörper weist zumindest einen aktiven Bereich
auf, der zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen
ist. Das heißt, im Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements wird
im aktiven Bereich elektromagnetische Strahlung erzeugt. Die elektromagnetische
Strahlung verlässt den Halbleiterkörper durch
eine Strahlungsdurchtrittsfläche. Die Strahlungsdurchtrittsfläche
ist durch einen Teil der Außenfläche des Halbleiterkörpers
gebildet.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements
umfasst das optoelektronische Halbleiterbauelement eine Zwischenschicht.
Die Zwischenschicht ist bevorzugt direkt auf der Strahlungsdurchtrittsfläche
des Halbleiterkörpers angeordnet. Das heißt, bevorzugt grenzt
die Zwischenschicht an den Halbleiterkörper und damit an
ein Halbleitermaterial. Die Zwischenschicht weist dabei einen niedrigeren
optischen Brechungsindex als das Halbleitermaterial auf, an das sie
angrenzt. Das bedeutet, im Betrieb des Halbleiterkörpers
erzeugte elektromagnetische Strahlung tritt an der Strahlungsdurchtrittsfläche
des Halbleiterkörpers vom optisch dichteren Medium – einem
Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers – ins
optisch dünnere Medium – in das Material der Zwischenschicht.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements
umfasst das optoelektronische Bauelement ferner eine strukturierte
Metallschicht. Die strukturierte Metallschicht ist auf der dem Halbleiterkörper
gegenüberliegenden Oberfläche der Zwischenschicht
angeordnet. Bevorzugt ist die strukturierte Metallschicht direkt
auf der Zwischenschicht angeordnet.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements
umfasst das Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper,
der eine Strahlungsdurchtrittsfläche umfasst, eine Zwischenschicht,
die direkt auf der Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterkörpers
angeordnet ist und einen niedrigeren optischen Brechungsindex als das
an sie grenzende Halbleitermaterial des Halbleiterkörpers
aufweist, und eine strukturierte Metallschicht, die auf der dem
Halbleiterkörper gegenüberliegenden Oberfläche
der Zwischenschicht angeordnet ist.
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Es
hat sich gezeigt, dass durch den niedrigeren Brechungsindex der
Zwischenschicht, die zwischen strukturierter Metallschicht und der
Strahlungsdurchtrittsfläche des Halbleiterkörpers
angeordnet ist, der Überlapp der Plasmon-Mode mit dem Metall
der strukturierten Metallschicht verringert ist. Dadurch ist die
Absorption von im Halbleiterkörper erzeugter elektromagnetischer
Strahlung reduziert. Das heißt, die Absorptionslänge
ist vergrößert.
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Ein
Oberflächenplasmon entsteht zum Beispiel am Übergang
von der Zwischenschicht und der strukturierten Metallschicht. Zur
Modifikation der Abstrahlcharakteristik und ebenso zur Modifikation
der Polarisation der im Betrieb emittierten elektromagnetischen
Strahlung des optoelektronischen Bauelements können Plasmonen
beitragen, da die Kopplung zwischen Plasmon und Photon über
eine periodische Strukturierung der Metalloberfläche erfolgt. Die
Periodizität der Strukturierung der strukturierten Metallschicht
bestimmt die Ausbreitungsrichtung der Photonen, mit denen die Kopplung
am Größten ist. Die Form der Strukturierung bestimmt,
ob dies für alle oder nur für eine Polarisationsrichtung
erfolgt. Bei beispielsweise symmetrischer Strukturierung, wie kreisrunde
oder quadratische Löcher in einer Metallschicht, ergibt
sich keine Polarisationsabhängigkeit. Bei einer asymmetrischen Strukturierung – beispielsweise
elliptische oder rechteckige Löcher oder im Extremfall
Streifengitter – erfolgt eine Kopplung nur für eine
Polarisationsrichtung. Der Mechanismus der Modifikation der Abstrahlrichtung
beziehungsweise der Polarisation kann hierbei eine bloße
Filterung sein, das heißt elektromagnetische Strahlung,
die nicht mit der gewünschten Charakteristik emittiert wird,
wird absorbiert oder reflektiert. Im Falle der Reflexion kann diese
elektromagnetische Strahlung dann zum Beispiel durch Streuprozesse
im Halbleiterkörper des optoelektronischen Halbleiterbauelements
recycelt werden und damit nach einem weiteren Durchlauf durch das
optoelektronische Halbleiterbauelement mit der gewünschten
Charakteristik emittiert werden. Dadurch ist die Abstrahlung von elektromagnetischer
Strahlung mit dieser Charakteristik erhöht.
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"Recycelt"
heißt dabei, dass die reflektierte elektromagnetische Strahlung
beispielsweise in einem aktiven Bereich des optoelektronischen Halbleiterbauelements
absorbiert und anschließend reemittiert wird.
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Ein
weiterer möglicher Mechanismus – neben der Absorption
und der Reflexion – ist die Veränderung der Ausbreitungsrichtung
der elektromagnetischen Strahlung durch die Plasmonen.
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Eine
Erhöhung der Effizienz des optoelektronischen Halbleiterbauelements
in seiner Anwendung kann auch dadurch erzielt werden, dass über
die Plasmonen eine geänderte Abstrahlcharakteristik oder
eine lineare Polarisation der emittierten elektromagnetischen Strahlung
erzeugt wird und in der Anwendung des optoelektronischen Halbleiterbauelements
nur oder bevorzugt die elektromagnetische Strahlung mit dieser bestimmten
Abstrahlcharakteristik – das heißt der bestimmten
Abstrahlrichtung und/oder Polarisation – genutzt werden
kann. Beispiele hierfür sind ein Projektionssystem für
eine verstärkt nach vorne emittierende Leuchtdiode, eine LCD-Hinterleuchtung
für eine polarisierte Leuchtdiode und/oder ein LCD-Projektor
für eine polarisierte und nach vorne strahlende Leuchtdiode.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements
enthält die Zwischenschicht ein dielektrisches Material. Weiter
ist es möglich, dass die Zwischenschicht aus einem dielektrischen
Material besteht. Vorzugsweise handelt es sich bei dem dielektrischen
Material um Siliziumdioxid. Das heißt die Zwischenschicht
enthält oder besteht aus Siliziumdioxid.
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Es
hat sich dabei gezeigt, dass dielektrische Materialien und insbesondere
Siliziumdioxid aufgrund ihres geringen optischen Brechungsindex
besonders gut geeignet sind, den Überlapp der Plasmon-Mode
mit dem Metall und damit die Absorption von elektromagnetischer
Strahlung zu verringern.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements
enthält die Zwischenschicht ein transparentes, elektrisch
leitfähiges Oxid (TCO-transparent conductive Oxide). Darüber
hinaus ist es möglich, dass die Zwischenschicht aus einem
transparenten elektrisch leitfähigen Oxid besteht. Beispielsweise
kann die Zwischenschicht dann aus einem der folgenden Materialien
bestehen oder zumindest eines der folgenden Materialien enthalten:
Indium-Zink-Oxid, Indium-Zinn-Oxid, Zink-Oxid.
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Bei
der Verwendung eines transparenten, elektrisch leitfähigen
Oxids kann mit der Zwischenschicht neben der vorteilhaften Verringerung
des Überlapps der Plasmon-Mode mit dem Metall der strukturierten
Metallschicht ein elektrischer Kontakt für das optoelektronische
Halbleiterbauelement realisiert sein. Die Effizienz des optoelektronischen
Halbleiterbauelements kann dadurch erhöht werden, dass die
plasmonische Struktur als transparenter Kontakt eingesetzt wird.
Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Zwischenschicht ein transparentes
elektrisch leitfähiges Oxid enthält oder aus einem
solchen besteht. Die strukturierte Metallschicht erhöht
hierbei die laterale Leitfähigkeit der Zwischenschicht
und die Strukturierung der Metallschicht erzeugt eine Transparenz.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements
umfasst die Zwischenschicht eine Schichtenfolge mit wenigstens zwei
Schichten. Die Schichten der Schichtenfolge sind dabei vorzugsweise
parallel oder im Wesentlichen parallel zur Strahlungsdurchtrittsfläche
des Halbleiterkörpers angeordnet. Die Schichten der Schichtenfolge
sind dann im Sinne eines Schichtenstapels übereinander
angeordnet. Dabei nimmt der optische Brechungsindex der Schichten
der Schichtenfolge von der Schicht, die der Strahlungsdurchtrittsfläche
am nächsten liegt, zu der Schicht, die der strukturierten
Metallschicht am nächsten liegt, ab. Das bedeutet, die
Zwischenschicht umfasst eine Schichtenfolge mit wenigstens zwei
Schichten, wobei der optische Brechungsindex der Schichten von der Strahlungsdurchtrittsfläche
des Halbleiterkörpers in Richtung strukturierter Metallschicht
abnimmt.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements
umfasst die Zwischenschicht eine Schichtenfolge mit zwei Schichten,
wobei die erste, an die Strahlungsdurchtrittsfläche grenzende
Schicht aus einem transparenten elektrisch leitfähigen
Oxid besteht und die zweite Schicht aus Siliziumdioxid besteht.
Die zweite Schicht grenzt dabei vorzugsweise an die strukturierte
Metallschicht an. Das heißt, die strukturierte Metallschicht
ist auf der zweiten Schicht angeordnet.
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Bevorzugt
weist die zweite Schicht, die aus Siliziumdioxid besteht, in dieser
Ausführungsform Ausnehmungen oder Durchbrüche
auf, in denen elektrische Kontakte zur ersten Schicht angeordnet sind.
Das heißt, die zweite Schicht weist Ausnehmungen auf, die
beispielsweise mit einem elektrisch leitfähigen Material
wie einem Metall oder einem transparenten, elektrisch leitfähigen
Oxid befüllt sind. Durch das elektrisch leitfähige
Material in den Ausnehmungen wird dann ein elektrischer Kontakt
zwischen der ersten Schicht, die aus einem transparenten elektrisch
leitfähigen Oxid besteht und beispielsweise einer Kontaktstelle
des optoelektronischen Halbleiterbauelements vermittelt.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements
umfasst die Zwischenschicht eine Schichtenfolge mit zwei Schichten,
wobei die erste, an die Strahlungsdurchtrittsfläche grenzende
Schicht aus einem ersten transparenten elektrisch leitfähigen
Oxid besteht und die zweite Schicht, die bevorzugt an die strukturierte Metallschicht
grenzt, aus einem zweiten transparenten elektrisch leitfähigen
Oxid besteht. Dabei stellt die erste Schicht vorzugsweise den elektrischen
Kontakt zum Halbleiterkörper her und sorgt optional für
den größten Teil der Querleitfähigkeit
der Zwischenschicht, das heißt der Leitfähigkeit
in Richtung parallel zur Strahlungsdurchtrittsfläche.
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An
die erste Schicht werden dann geringere Anforderungen hinsichtlich
der Transparenz für die im optoelektronischen Halbleiterbauelement
erzeugte elektromagnetische Strahlung gestellt, da die Plasmon-Mode
nur einen geringen Überlapp mit der ersten Schicht hat.
Die zweite Schicht zeichnet sich dagegen vorteilhaft durch eine
besonders gute Transparenz für die im Halbleiterkörper
erzeugte elektromagnetische Strahlung aus. Das heißt, die
zweite Schicht weist vorzugsweise einen sehr niedrigen Absorptionskoeffizienten
auf.
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Dabei
ist für die zweite Schicht ein transparentes, elektrisch
leitfähiges Oxid mit einer relativ zur ersten Schicht verringerten
elektrischen Leitfähigkeit ausreichend. Besonders eignet
sich in diesem Fall für die erste Schicht Indium-Zinn-Oxid
(ITO) oder hoch dotiertes Zink-Oxid (ZnO). Die zweite Schicht besteht dann
vorzugsweise aus einem niedrig dotierten Zink-Oxid oder einem unter
Sauerstoffzugabe abgeschiedenen Zink-Oxid. Durch Sauerstoffzugabe
bei der Abscheidung eines zum Beispiel mit Aluminium dotierten Zink-Oxids
wird das Aluminium oxidiert, wodurch es nicht mehr als Dotierung
wirkt und der Aluminium-Gehalt effektiv reduziert wird.
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Das
Zink-Oxid ist vorzugsweise mit Aluminium und/oder Gallium dotiert.
Generell bewirkt die Dotierung des Zink-Oxids eine Erhöhung
der Absorption der im optoelektronischen Halbleiterbauelement im Betrieb
erzeugten elektromagnetischen Strahlung. Je höher die Dotierung,
desto höher ist die Absorption. Andererseits bewirkt die
Dotierung des Zink-Oxids die Erhöhung der Leitfähigkeit
des Zink-Oxids.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements
ist die strukturierte Metallschicht des Halbleiterbauelements derart
ausgebildet, dass im Betrieb im Halbleiterkörper erzeugte
elektromagnetische Strahlung Oberflächenplasmonen anregt.
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Die
strukturierte Metallschicht kann dabei nach Art eines eindimensionalen
Gitters strukturiert sein, das heißt, sie ist durch Metallstreifen,
die parallel zueinander verlaufen, gebildet. Ferner kann die strukturierte
Metallschicht nach Art eines zweidimensionalen Gitters strukturiert
sein. Dabei kann es sich beispielsweise um ein hexagonales Gitter
oder ein Rechteckgitter handeln. Ferner kann die Strukturierung
der strukturierten Metallschicht quasiperiodisch, das heißt
nicht periodisch aber geordnet, zum Beispiel nach Art von Fibonacci-Zahlen
oder des goldenen Schnitts erfolgen. Ferner ist auch eine statistische
beziehungsweise zufällige Strukturierung der strukturierten
Metallschicht denkbar.
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Die
Größe der Metallstrukturen liegt im Bereich der
Wellenlänge der vom optoelektronischen Halbleiterbauelement
im Betrieb emittierten elektromagnetischen Strahlung. Das heißt,
der Abstand der Metallstrukturen liegt im Bereich zwischen 50 und 1000
nm und die Größe der Metallstrukturen beträgt zwischen
10 und 90% der Gesamtfläche. Das heißt, die Fläche
der Metallstrukturen liegt zwischen 10 und 90% des Flächeninhalts
derjenigen Fläche, auf welche die Metallstrukturen aufgebracht
sind. Gemäß zumindest einer Ausführungsform
des optoelektronischen Halbleiterbauelements enthält die
strukturierte Metallschicht zumindest eines der folgenden Metalle oder
besteht aus einem der folgenden Metalle: Gold, Silber, Aluminium.
Dabei eignet sich beispielsweise Silber besonders gut für
die Verwendung mit einem auf GaN basierenden Halbleiterkörper.
Aluminium eignet sich besonders gut für Hableiterkörper,
die auf AlGaAs oder InGaAlP basieren.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements
weist die strukturierte Metallschicht eine Dicke von wenigstens
20 und höchstens 200 nm auf. Die strukturierte Metallschicht
kann auch als Teil einer Kontaktschicht dienen, über die
elektrischer Strom zum Betrieb des optoelektronischen Halbleiterbauelements
in den Halbleiterkörper eingeprägt wird.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauelements
ist auf der dem Halbleiterkörper abgewandten Seite der strukturierten
Metallschicht eine dielektrische Schicht angeordnet, welche aus
einem dielektrischen Material besteht. Beispielsweise ist die dielektrische Schicht
aus dem gleichen Material wie die Zwischenschicht gebildet. Die
dielektrische Schicht kann dabei mehr als eine dielektrische Schicht
umfassen. Die dielektrische Schicht kann direkt auf der strukturierte Metallschicht
und/oder der Zwischenschicht angeordnet sein.
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Im
Folgenden wird das hier beschriebene optoelektronische Halbleiterbauelement
anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen
Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauelements
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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2 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines hier beschriebenen optoelektronischen
Halbleiterbauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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3 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines hier beschriebenen optoelektronischen
Halbleiterbauelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
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4 zeigt
eine schematische Auftragung der Eindringtiefe γ3 relativ
zur Eindringtiefe γ4 gegen die optische Brechzahl n4.
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5 zeigt
eine schematische Auftragung der Propagationslänge L als
Funktion der optischen Brechzahl n4.
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6 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines hier beschriebenen optoelektronischen
Halbleiterbauelements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
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In
den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder
gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Die dargestellten Elemente sind nicht als maßstabsgetreu
anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren
Verständnis übertrieben groß dargestellt
sein.
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Die 1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines hier beschriebenen optoelektronischen
Halbleiterbauelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Das
optoelektronische Halbleiterbauelement umfasst einen Halbleiterkörper 1.
Der Halbleiterkörper enthält beispielsweise Mantelschichten 10, 12 sowie
einen aktiven Bereich 11. Im Betrieb des optoelektronischen
Halbleiterbauelements wird im aktiven Bereich 11 elektromagnetische
Strahlung erzeugt, welche den Halbleiterkörper 1 durch
seine Strahlungsdurchtrittsfläche 2 verlässt.
Auf der der Strahlungsdurchtrittsfläche 2 abgewandten
Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 ist
eine Kontaktschicht 6 angeordnet, die beispielsweise zur
p- oder n-seitigen Kontaktierung des optoelektronischen Halbleiterbauelements
vorgesehen ist.
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Bei
dem optoelektronischen Halbleiterbauelement handelt es sich um eine
Lumineszenzdiode, das heißt um eine Laserdiode oder um
eine Leuchtdiode. Vorzugsweise handelt es sich um eine Lumineszenzdiode
in Dünnfilmbauweise.
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Lumineszenzdiodechips
in Dünnfilmbauweise sind beispielsweise in den Druckschriften
WO 02/13281 A1 sowie
EP 0 905 797 A2 beschrieben, deren
Offenbarungsgehalt hinsichtlich der Dünnfilmbauweise hiermit
ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen wird.
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Ein
möglicher Schichtaufbau des Lumineszenzdiodenchips ist
beispielsweise in der Druckschrift
US
6,849,881 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hinsichtlich
des Schichtaufbaus hiermit ausdrücklich durch Rückbezug
aufgenommen wird.
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Auf
die Strahlungsdurchtrittsfläche 2 des Halbleiterkörpers 1 ist
eine Zwischenschicht 4 aufgebracht. Die Zwischenschicht 4 besteht
aus einem Material, das einen geringeren optischen Brechungsindex
n4 als das an sie grenzende Halbleitermaterial, das heißt,
beispielsweise das Material der Mantelschicht 10, aufweist.
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Auf
die dem Halbleiterkörper 1 abgewandte Oberfläche
der Zwischenschicht 4 ist eine strukturierte Metallschicht 3 aufgebracht.
Die strukturierte Metallschicht 3 enthält oder
besteht aus zumindest einem der folgenden Metalle: Gold, Silber,
Aluminium. Die Dicke DM der Metallschicht 3 beträgt
vorzugsweise wenigstens 20 nm und höchstens 200 nm. Die strukturierte
Metallschicht 3 besteht beispielsweise aus Metallstreifen,
die parallel zueinander auf der dem Halbleiterkörper 1 abgewandten
Oberfläche der Zwischenschicht 4 angeordnet sind.
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Beispielsweise
handelt es sich bei dem optoelektronischen Halbleiterbauelement
um eine Leuchtdiode, welche auf dem Materialsystem InGaN basiert.
Das optoelektronische Halbleiterbauelement ist im Betrieb zur Erzeugung
von grünem Licht geeignet. Die strukturierte Metallschicht 3 besteht
aus Silber. Die strukturierte Metallschicht 3 ist nach
Art eines zweidimensionalen Gitters ausgeführt. Bei dem zweidimensionalen
Gitter handelt es sich um ein hexagonales Gitter, an dessen Gitterpunkten
zylindrische Ausnehmungen in der Metallschicht angeordnet sind.
Der Abstand der Ausnehmungen beträgt dabei vorzugsweise
zwischen 170 und 330 nm. Der Radius der Ausnehmungen beträgt
vorzugsweise zwischen 80 und 170 nm. Die Höhe der Ausnehmungen
beträgt 50 nm. Die Dicke der Zwischenschicht 4 beträgt
5 nm, die Dicke der strukturierten Metallschicht DM beträgt
50 nm.
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Gemäß einem
ersten Beispiel besteht die Zwischenschicht 2 aus Siliziumdioxid.
Siliziumdioxid ist aufgrund seiner niedrigen Absorption und seines niedrigen
optischen Brechungsindex als Zwischenschicht zur Verringerung des Überlapps
der Plasmon-Mode mit dem Metall besonders gut geeignet.
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Gemäß einem
zweiten Beispiel besteht die Zwischenschicht 4 aus einem
elektrisch leitfähigen und transparenten Oxid (TCO). Dadurch
ist gleichzeitig zur Verringerung des Überlapps der Plasmon-Mode
mit dem Metall ein elektrischer Kontakt realisiert. Neben Indium-Zinn-Oxid
und Indium-Zink-Oxid findet Zink-Oxid als Material für
die Zwischenschicht 4 aufgrund seiner geringen optischen
Absorption im größten Teil des sichtbaren Spektralbereichs
besonders bevorzugt Verwendung als Material der Zwischenschicht 4.
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In
einem dritten Beispiel umfasst die Zwischenschicht 4 zwei
Einzelschichten 4a und 4b. Dabei liegt die erste
Schicht 4a, die einen höheren optischen Brechungsindex
als die zweite Schicht 4b aufweist, direkt am Halbleiterkörper 1.
Die direkt an der strukturierten Metallschicht 3 liegende
zweite Schicht 4b weist einen möglichst niedrigen
optischen Brechungsindex auf. Dabei ist es auch möglich,
dass die Zwischenschicht 4 aus einer Schichtfolge von mehr als
zwei Schichten besteht, wobei der optische Brechungsindex einer
Schicht um so geringer ist, je weiter die Schicht vom Halbleiterkörper 1 entfernt
liegt.
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Beispielsweise
besteht die erste Schicht 4a aus einem transparenten, elektrisch
leitfähigen Oxid, das über seine elektrische Querleitfähigkeit
für den elektrischen Anschluss des optoelektronischen Halbleiterbauelements
sorgt. Die zweite Schicht 4b besteht dann vorzugsweise
aus Siliziumdioxid. Die zweite Schicht 4b weist dann Ausnehmungen 5 auf, über
die lokal auf die erste Schicht 4a durchkontaktiert ist.
Die Ausnehmungen 5 sind dazu beispielsweise mit dem Metall
der strukturierten Metallschicht 3 und/oder dem transparenten,
elektrisch leitfähigen Oxid der ersten Schicht 4a gefüllt.
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Darüber
hinaus ist es auch möglich, dass die erste Schicht 4a aus
einem ersten transparenten elektrisch leitfähigen Oxid
gebildet ist und die zweite Schicht 4b aus einem zweiten,
vom ersten verschiedenen transparenten elektrisch leitfähigen
Oxid gebildet ist. Dabei weist das Material der ersten Schicht 4a eine
größere Querleitfähigkeit und gegebenenfalls eine
geringere Transparenz als das Material der zweiten Schicht 4b auf.
Die erste Schicht besteht beispielsweise aus ITO oder hoch dotiertem
ZnO, während die zweite Schicht dann aus niedrig dotiertem ZnO
oder einem unter Sauerstoffzugabe abgeschiedenen ZnO besteht.
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Die 2 zeigt
eine Schnittdarstellung eines hier beschriebenen optoelektronischen
Halbleiterbauelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Das optoelektronische Bauelement gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom optoelektronischen
Bauelement, das in Verbindung mit der 1 beschrieben
ist, dadurch, dass die Strahlungsdurchtrittsfläche 2 in
diesem Ausführungsbeispiel aufgeraut ist. Die Zwischenschicht 4 ist wie
in einem der in Verbindung mit der 1 beschriebenen
Beispiele ausgeführt. Die Zwischenschicht 4 dient
in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich als Planarisierungsschicht
zur Planarisierung der aufgerauten Oberfläche/Strahlungsdurchtrittsfläche 2 des Halbleiterkörpers 1.
Aufgrund der aufgerauten Strahlungsdurchtrittsfläche ist
die Lichtauskopplung aus dem Halbleiterkörper 1 verbessert,
da die Wahrscheinlichkeit für Totalreflexion an der Strahlungsdurchtrittsfläche
reduziert ist.
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Die
bevorzugte Strukturgröße für die Aufrauung
beträgt zwischen 100 und 2000 nm.
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Die 3 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines hier beschriebenen optoelektronischen
Bauelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel, das in Verbindung
mit der 2 beschrieben ist, ist in diesem
Ausführungsbeispiel auch die der strukturierten, aufgerauten
Strahlungsdurchtrittsfläche 2 abgewandte Seite
der Zwischenschicht 4 strukturiert. Die Zwischenschicht 4 ist
dabei gemäß einem der in Verbindung mit der 1 beschriebenen
Beispiele ausgeführt. Das Metall der strukturierten Metallschicht überformt
die strukturierte Oberfläche der Zwischenschicht 4.
Durch die Strukturierung der Zwischenschicht 4 ist eine
Beeinflussung der Koppelung der im Halbleiterkörper erzeugten
elektromagnetischen Strahlung an die Plasmon-Mode möglich.
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Prinzipiell
existieren Oberflächenplasmonen sowohl am Übergang
Zwischenschicht 4/strukturierter Metallschicht 3,
als auch am Übergang strukturierter Metallschicht 3/Luft.
Um nun die Oberflächenplasmonen an beiden genannten Übergängen
zu beeinflussen, werden im Allgemeinen zwei unterschiedliche Gitter
benötigt. Das eine Gitter wird durch die strukturierte
Metallschicht 3 und das andere durch die strukturierte
Oberfläche der Zwischenschicht 4 zur Verfügung
gestellt.
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Die
Strukturgröße für die Strukturierung
der Oberfläche der Zwischenschicht 4 beträgt
dabei vorzugsweise zwischen 50 und 1000 nm. Wie auch die Herstellung
der strukturierten Metallschicht 3 kann die Strukturierung
der Zwischenschicht 4 beispielsweise durch eine der folgenden
Methoden erfolgen: Fokussierter Ionenstrahl (focused ion beam – FIB), Elektronenstrahllithografie,
Nano-Imprint, optische Lithografie oder weitere Strukturierungstechniken.
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In
der 4 ist in einer schematischen Auftragung die Eindringtiefe γ3
in die strukturierte Metallschicht relativ zur Eindringtiefe γ4
in die Zwischenschicht 4 gegen die optische Brechzahl n4
der Zwischenschicht 4 für zwei verschiedene Peak-Wellenlängen
der im Halbleiterkörper 1 erzeugten elektromagnetischen
Strahlung aufgetragen. Aus dieser Auftragung ist ersichtlich, dass
die Eindringtiefe in die strukturierte Metallschicht relativ zur
Eindringtiefe in die Zwischenschicht 4 mit kleiner werdenden
Brechzahlen n4 abnimmt. Für die Darstellung der 4 wurde
Silber als Metall der strukturierten Metallschicht 3 angenommen.
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Die 5 zeigt
in einer schematischen Auftragung die Propagationslänge
L für zwei Peak-Wellenlängen der im Halbleiterkörper
erzeugten elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit
der optischen Brechzahl n4 der Zwischenschicht 4. Die Propagationslänge
L ist dabei für beide gewählten Wellenlängen – 450
nm und 650 nm – umso größer, je kleiner
die Brechzahl n4 der Zwischenschicht 4 des Materials der
Zwischenschicht 4 ist.
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Unter
der Propagationslänge versteht man in diesem Zusammenhang
die Strecke, die das Oberflächenplasmon zurücklegt,
bevor es bedingt durch die Absorptionsverluste auf den 1/e-ten Teil
der Anfangsintensität abgefallen ist. Das heißt,
je höher die Absorptionslänge, umso geringer sind
die Verluste durch Absorption. Damit kann mehr elektromagnetische
Strahlung durch Streuung an der strukturierten Metallschicht 3 ausgekoppelt
werden als in einem System mit höherer Absorption.
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Die 6 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung eines hier beschriebenen optoelektronischen
Bauelements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Strahlungsdurchtrittsflächen 2 des
Halbleiterkörpers 1, die Zwischenschicht 4 sowie
die strukturierte Metallschicht 3 strukturiert. Auf die
dem Halbleiterkörper 1 abgewandte Seite der strukturierten
Metallschicht 3 sind weitere Schichten 41, 42 angeordnet, welche
aus einem dielektrischen Material bestehen. Auch die Zwischenschicht 4 besteht
in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise aus einem Dielektrikum.
Die dielektrischen Schichten 4, 41, 42 können
in diesem Ausführungsbeispiel auch als beliebige Schichtenfolgen
verschiedener dielektrischer Materialien ausgebildet sein. Des Weiteren
muss der Übergang zwischen der dielektrischen Schicht 41 nach Luft
nicht zwingend glatt sein, sondern kann ebenfalls strukturiert sein.
Beispielsweise kann die dem Halbleiterkörper 1 abgewandte
Oberfläche der dielektrischen Schicht 41 periodisch
oder nicht periodisch aufgeraut sein.
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Die
Dimension der Strukturierungen der strukturierten Metallschicht 3 sowie
der dielektrischen Schichten 4, 41, 42 liegt
dabei im Bereich der Wellenlänge der vom optoelektronischen
Halbleiterbauelement im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Strahlung.
Die Schichtdicken der dielektrischen Schichten 4, 41 können
von wenigen Nanometern bis hin zu mehreren Mikrometern betragen.
Die Dicke der strukturierten Metallschicht und damit die Dicke der
dielektrischen Schicht 42 liegt vorzugsweise zwischen 20
nm und 200 nm.
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Als
Spezialfall ist es denkbar, dass die drei dielektrischen Schichten 4, 41, 42 aus
ein und demselben Material – beispielsweise Siliziumdioxid – bestehen.
Dies hat den Vorteil, dass auf beiden Seiten der strukturierten
Metallschicht 3 dieselben optischen Eigenschaften vorliegen.
Damit ist es möglich, eine resonante Kopplung der beiden
Oberflächenplasmonen am Übergang Zwischenschicht 4/strukturierter Metallschicht 3 und
strukturierte Metallschicht 3/dielektrische Schicht 41,
zu erzielen, was eine weitere Erhöhung der Transparenz
der strukturierten Metallschicht 3 ermöglicht.
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Die
Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie
jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination
von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch
wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit
in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6534798 [0001, 0002]
- - WO 02/13281 A1 [0040]
- - EP 0905797 A2 [0040]
- - US 6849881 [0041]