DE102008022830A1

DE102008022830A1 - Strahlungsemittierendes Bauelement

Info

Publication number: DE102008022830A1
Application number: DE102008022830A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Claus Krummacher; Florian Dr. Schindler; Nils Reinke; Wolfgang Prof. Dr. Brütting; Jörg FRISCHEISEN; Stefan Nowy
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Osram Oled GmbH
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2009-06-04

Abstract

Ein strahlungsemittierendes Bauelement umfasst insbesondere eine erste Elektrode (1) und eine zweite Elektrode (2), eine Halbleiterschichtenfolge (3) zwischen der ersten und zweiten Elektrode (1, 2) mit einem aktiven Bereich (30), der geeignet ist, in einem elektronischen Betrieb elektromagnetische Strahlung abzustrahlen, eine erste Farbstoffschicht (4) mit einem ersten Farbstoff (40), der auf einer der Halbleiterschichtenfolge (3) abgewandten Hauptoberfläche (15) der ersten Elektrode (1) angeordnet ist, wobei die erste Elektrode (1) eine Metallschicht (10) aufweist, durch den elektronischen Betrieb des aktiven Bereichs Oberflächenplasmonen (93) in der ersten Elektrode (1) angeregt werden und der erste Farbstoff (40) durch Oberflächenplasmonen (94) in der ersten Elektrode (1) zur Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung angeregt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein strahlungsemittierendes Bauelement mit einer Halbleiterschichtenfolge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es, ein strahlungsemittierendes Bauelement mit einer Halbleiterschichtenfolge anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Ein strahlungsemittierendes Bauelement gemäß einer Ausführungsform umfasst insbesondere

– eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode,
– eine Halbleiterschichtenfolge zwischen der ersten und zweiten Elektrode mit einem aktiven Bereich, der geeignet ist, in einem elektronischen Betrieb elektromagnetische Strahlung abzustrahlen,
– eine erste Farbstoffschicht mit einem ersten Farbstoff, der auf einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Hauptoberfläche der ersten Elektrode angeordnet ist, wobei
– die erste Elektrode eine Metallschicht aufweist,
– durch den elektronischen Betrieb des aktiven Bereichs Oberflächenplasmonen in der ersten Elektrode angeregt werden und
– der erste Farbstoff durch Oberflächenplasmonen in der ersten Elektrode zur Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung angeregt wird.

Dass eine erste Schicht oder ein erstes Element „auf" oder „über" einer zweiten Schicht oder einem zweiten Element oder auch „zwischen" zwei weiteren Schichten oder Elementen angeordnet oder aufgebracht ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass die erste Schicht oder das erste Element unmittelbar im direkten mechanischen und/oder elektrischen Kontakt auf der zweiten Schicht oder dem zweiten Element beziehungsweise zu den zwei weiteren Schichten oder Elementen angeordnet ist. Weiterhin kann auch ein mittelbarer Kontakt bezeichnet sein, bei dem weitere Schichten und/oder Elemente zwischen der ersten Schicht oder dem ersten Element und der zweiten Schicht oder dem zweiten Element bzw. den zwei weiteren Schichten oder Elementen angeordnet sind.
Beim oben beschriebenen strahlungsemittierenden Bauelement ist der elektronische Betrieb des strahlungsemittierenden Bauelements durch das Anlegen einer Spannung und/oder das Beaufschlagen eines Stromes zwischen der ersten und zweiten Elektrode erreichbar. Beispielsweise können die Halbleiterschichtenfolge als Diode und die erste und zweite Elektrode als Kathode und Anode ausgeführt sein. Mittels der Kathode können Elektronen und mittels der Anode Löcher in die Halbleiterschichtenfolge injiziert werden, wobei jeweils ein Elektron und ein Loch einen gebundenen, angeregten Zustand, ein so genanntes Exziton, bilden können. Im aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge können Elektronen und Löcher von zumindest einem Teil der Exzitonen unter Abgabe von Energie in Form von elektromagnetischen Feldern rekombinieren. Die durch Rekombination der Exzitonen erzeugten elektromagnetischen Felder können wiederum zumindest teilweise in Form von Photonen, also als elektromagnetische Strahlung, vom aktiven Bereich und damit vom strahlungsemittierenden Bauelement abgestrahlt werden. Weiterhin kann ein von einem rekombinierenden Exziton erzeugtes elektromagnetisches Feld freie Ladungsträger, etwa Elektronen, in der Metallschicht der ersten Elektrode zu Ladungsträgerdichteschwingungen anregen. Derartige Ladungsträgerdichteschwingungen in der Metallschicht der ersten Elektrode können auch als Plasmonen oder Plasmon-Polaritonen bezeichnet werden. Mit anderen Worten kann das bei der Rekombination eines Exzitons entstehende elektromagnetische Feld an ein Plasmon in der Metallschicht der ersten Elektrode koppeln, so dass die Rekombinationsenergie zumindest teilweise auf das Plasmon übergehen kann.
Insbesondere bezeichnen Oberflächenplasmonen hierbei longitudinale Ladungsträgerdichteschwingungen, die parallel zur Erstreckungsebene einer Oberfläche der Metallschicht der ersten Elektrode an dieser Oberfläche auftreten. Oberflächenplasmonen können dabei insbesondere an der der Halbleiterschichtenfolge zugewandten Oberfläche der Metallschicht der ersten Elektrode erzeugt werden. Die der Halbleiterschichtenfolge zugewandte Oberfläche der Metallschicht der ersten Elektrode kann eine Hauptoberfläche der Metallschicht sein und kann weiterhin im Folgenden auch als Innenoberfläche der Metallschicht bezeichnet werden, während die der Halbleiterschichtenfolge abgewandte Hauptoberfläche der Metallschicht, die dem ersten Farbstoff zugewandt ist, als Außenoberfläche der Metallschicht bezeichnet werden kann.
Die Kopplung des von einem rekombinierenden Exziton erzeugten elektromagnetischen Feldes an ein Oberflächenplasmon kann durch Nahfeldeffekte oder Oberflächenrauheiten begünstigt werden. Erzeugt ein rekombinierendes Exziton ein elektromagnetisches Feld, das an ein Plasmon, etwa ein Oberflächenplasmon, in der Metallschicht der ersten Elektrode koppelt, so kann das erzeugte elektromagnetische Feld nicht mehr als Photon vom strahlungsemittierenden Bauelement abgestrahlt werden. Die Erzeugung von Oberflächenplasmonen in der ersten Elektrode kann bei bekannten strahlungsemittierenden Bauelementen im Prinzip somit die Abstrahleffizienz eines strahlungsemittierenden Bauelements reduzieren, da der Anteil an Energie, der insgesamt durch Rekombination der Exzitonen pro Zeit zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, also abgestrahlter Photonen, verfügbar wäre, durch die Erzeugung von Oberflächenplasmonen reduziert wird. Der Anteil der Exzitonen-Rekombinationsenergie, der Oberflächenplasmonen in der ersten Elektrode anregen kann, kann dabei beispielsweise bis zu 30% betragen und kann damit neben weiteren Verlustmechanismen im strahlungsemittierenden Bauelement wie etwa Wellenleitereffekten zu einer Gesamteffizienz von weit unter 100%, etwa 20%, führen.
Dadurch aber, dass der erste Farbstoff durch Oberflächenplasmonen in der ersten Elektrode zur Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung angeregt werden kann, kann es möglich sein, dass die auf Oberflächenplasmonen in der ersten Elektrode übergegangene Energie zumindest teilweise wieder in elektromagnetische Strahlung umgewandelt werden kann, die vom strahlungsemittierenden Bauelement in Form von Photonen abgestrahlt werden kann. Deshalb kann es möglich sein, dass die Abstrahleffizienz des hier beschriebenen strahlungsemittierenden Bauelements gegenüber bekannten strahlungsemittierenden Bauelementen wiederum gesteigert werden kann.
Insbesondere kann die erste Elektrode auch als Metallschicht ausgeformt sein. Das kann bedeuten, dass die Metallschicht die erste Elektrode bildet. Dabei kann die erste Elektrode direkt und unmittelbar an die Halbleiterschichtenfolge angrenzen und eine gemeinsame Grenzfläche mit der Halbleiterschichtenfolge aufweisen. Das kann bedeuten, dass die Innenoberfläche der Metallschicht beziehungsweise der ersten Elektrode direkt und unmittelbar an die Halbleiterschichtenfolge angrenzt. Durch den direkten und unmittelbaren Kontakt der ersten Elektrode an die Halbleiterschichtenfolge kann der Abstand zwischen der ersten Elektrode und dem aktiven Bereich derart klein gehalten werden, dass die Erzeugung von Oberflächenplasmonen in der ersten Elektrode begünstigt wird.
Die Metallschicht der ersten Elektrode kann Aluminium, Barium, Indium, Silber, Gold, Magnesium, Kalzium oder Lithium sowie Verbindungen, Kombinationen und Legierungen davon aufweisen oder daraus sein. Insbesondere kann die Metallschicht Aluminium, Silber oder Gold aufweisen oder daraus bestehen. Dabei kann die erste Elektrode nicht oder nur teilweise transparent für die vom aktiven Bereich erzeugte, elektromagnetische Strahlung sein. Insbesondere kann die Metallschicht der ersten Elektrode oder die erste Elektrode reflektierend für die vom aktiven Bereich im elektronischen Betrieb abgestrahlte elektromagnetische Strahlung oder für die vom Farbstoff erzeugte, elektromagnetische Strahlung sein. Weiterhin kann die erste Elektrode für die vom ersten Farbstoff erzeugte, elektromagnetische Strahlung nicht oder nur teilweise transparent sein. Alternativ kann die erste Elektrode auch transparent für die vom aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge erzeugte, elektromagnetische Strahlung und/oder für die vom ersten Farbstoff erzeugte, elektromagnetische Strahlung sein.
Alternativ dazu kann die erste Elektrode einen Schichtenstapel von zumindest zwei Metallschichten umfassen oder aus einem solchen gebildet sein. Weiterhin kann die erste Elektrode eine oder mehrere weitere Schichten umfassen, etwa aus einem Halbleitermaterial wie beispielsweise einem transparenten, elektrisch leitenden Oxid. Transparente, elektrisch leitfähige Oxide (transparent conductive oxides, kurz „TCO") sind transparente, leitende Materialien, in der Regel Metalloxide, wie beispielsweise Zinkoxid, Zinnoxid, Cadmiumoxid, Titanoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO). Neben binären Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise ZnO, SnO₂ oder In₂O₃ gehören auch ternäre Metallsauerstoffverbindungen, wie beispielsweise Zn₂SnO₄, CdSnO₃, ZnSnO₃, MgIn₂O₄, GaInO₃, Zn₂In₂O₅ oder In₄Sn₃O₁₂ oder Mischungen unterschiedlicher transparenter leitender Oxide zu der Gruppe der TCOs. Weiterhin kann es möglich sein, dass die TCOs nicht zwingend einer stöchiometrischen Zusammensetzung entsprechen und auch p- oder n-dotiert sein können. Dabei kann die Metallschicht beispielsweise zwischen zwei TCO-Schichten eingebettet sein.
Durch den oben beschriebenen Prozess zur Erzeugung von Oberflächenplasmonen in der ersten Elektrode und die Anregung des ersten Farbstoffs zur Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung durch Oberflächenplasmonen kann ein strahlungsloser Energietransfer zwischen dem aktiven Bereich und dem ersten Farbstoff ermöglicht werden. Ein Oberflächenplasmon, das an der Innenoberfläche der Metallschicht der ersten Elektrode auf die oben beschriebene Weise durch Rekombination eines Exzitons erzeugt wird, kann sich über ein so genanntes evaneszentes elektromagnetisches Feld entlang der Innenoberfläche sowie auch in die Metallschicht der ersten Elektrode hinein ausbreiten. Das evaneszente elektromagnetische Feld, das sich in die Metallschicht der ersten Elektrode hinein ausbreitet, kann durch eine Intensitätsabnahme mit einem exponentiell abfallenden Verlauf proportional zur Eindringtiefe in die Metallschicht gegeben sein. Mit anderen Worten kann das bedeuten, dass das Oberflächenplasmon an der der Halbleiterschichtenfolge zugewandten Innenoberfläche der Metallschicht der ersten Elektrode ein elektromagnetisches Feld mit einer Intensität I₀ erzeugt, das in Richtung des ersten Farbstoffs in die Metallschicht eindringt und dabei in Abhängigkeit von der Eindringtiefe x eine Intensität I₁(x) aufweist, die durch I₁(x) = I₀·e^–x/d1 gegeben sein kann. Dabei ist e die Eulersche Zahl und d1 ist eine erste charakteristische Abklinglänge, bei der die Intensität I₁(x) auf den e-ten Bruchteil der Intensität I₀ abgefallen ist, also I₁(x = d1) = 1/e·I₀. Insbesondere kann diese Intensitätsabnahme bei einer durchgehenden, unstrukturierten Metallschicht gegeben sein.
Die Metallschicht der ersten Elektrode oder die erste Elektrode kann eine Dicke aufweisen, die kleiner oder gleich der ersten charakteristischen Abklinglänge ist. Dabei kann die Dicke der Metallschicht der ersten Elektrode oder die Dicke der ersten Elektrode größer oder gleich 10 nm und kleiner oder gleich 200 nm sein. Weiterhin kann die Dicke größer oder gleich 20 nm sein. Dabei kann die Dicke auch kleiner als 100 nm sein. Für die oben genannten Metalle kann die Dicke der Metallschicht oder der ersten Elektrode insbesondere größer oder gleich 20 nm und kleiner oder gleich 50 nm sein.
Das evaneszente elektromagnetische Feld, das sich von der Innenoberfläche in die Metallschicht ausbreitet, kann an der dem ersten Farbstoff zugewandten Außenoberfläche der Metallschicht ein weiteres Oberflächenplasmon anregen. Mit anderen Worten kann ein Oberflächenplasmon an der Innenoberfläche der Metallschicht an ein weiteres Oberflächenplasmon an der Außenoberfläche der Metallschicht koppeln.
Das Oberflächenplasmon an der Außenoberfläche der Metallschicht kann ein evaneszentes elektromagnetisches Feld erzeugen, das sich unter anderem von der Außenoberfläche der Metallschicht zur ersten Farbstoffschicht und in die erste Farbstoffschicht hinein erstrecken kann. Das kann bedeuten, dass das Oberflächenplasmon an der Außenoberfläche ein elektromagnetisches Feld mit einer Intensität I₀' direkt an der Außenoberfläche erzeugen kann, das mit einem Intensitätsverlauf proportional zum Abstand x von der Außenoberfläche der Metallschicht exponentiell abklingen kann und damit eine Intensität I₂(x) mit I₂(x) = I₀'·e^–x/d2 aufweisen kann. Dabei ist d2 eine zweite charakteristische Abklinglänge, bei der die Intensität I₂(x) auf den e-ten Bruchteil der Intensität I₀' abgefallen ist, also I₂(x = d2) = 1/e·I₀'.
Der erste Farbstoff kann beispielsweise funktionale Gruppen oder Bereiche mit Dipol- oder auch höheren Multipolmomenten aufweisen, die an das evaneszente elektromagnetische Feld der Oberflächenplasmonen an der Außenoberfläche der Metallschicht koppeln können und somit zur Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung angeregt werden können.
Weiterhin kann der erste Farbstoff alternativ oder zusätzlich auch an das evaneszente elektromagnetische Feld der Oberflächenplasmonen an der Innenoberfläche ankoppeln.
Die erste Farbstoffschicht kann eine Dicke aufweisen, die kleiner oder gleich der zweiten charakteristischen Abklinglänge ist. Beispielsweise kann die erste Farbstoffschicht eine Dicke aufweisen, die größer oder gleich 1 nm ist, insbesondere größer oder gleich 10 nm. Weiterhin kann die erste Farbstoffschicht eine Dicke aufweisen, die kleiner oder gleich 10 μm, insbesondere kleiner oder gleich 1 μm ist. Insbesondere kann die erste Farbstoffschicht eine Dicke aufweisen, die größer oder gleich 100 nm und kleiner oder gleich 500 nm ist.
Die Stärke der oben beschriebenen Kopplung eines Innenoberflächen-Plasmons an ein Außenoberflächen-Plasmon kann von der Intensität des evaneszenten elektromagnetischen Felds, das durch das Innenoberflächen-Plasmon erzeugt wird, an der Außenoberfläche abhängen. Diese Intensität kann beispielsweise von der oben beschriebenen ersten charakteristischen Abklinglänge abhängen. Weitere vorteilhafte Ausbildungen, die eine Kopplung eines Innenoberflächen-Plasmons an ein Außenoberflächen-Plasmon begünstigen und/oder verstärken können, werden im Folgenden beschrieben.
Beispielsweise können die Dispersionsrelation der Oberflächenplasmonen auf der Innenoberfläche der Metallschicht der ersten Elektrode und die Dispersionsrelation der Oberflächenplasmonen auf der Außenoberfläche der Metallschicht der ersten Elektrode übereinstimmen. Als Dispersionsrelation kann hierbei die Energie-Impuls-Abhängigkeit der Oberflächenplasmonen bezeichnet werden. Da die jeweilige Oberflächenplasmonen-Dispersionsrelation vom Brechungsindex der Metallschicht und vom Brechungsindex der an die Innenoberfläche beziehungsweise an die Außenoberfläche angrenzenden Schicht abhängt, kann das bedeuten, dass die Metallschicht der ersten Elektrode oder die erste Elektrode jeweils unmittelbar und direkt benachbart zu einer Schicht an der Innenoberfläche und einer Schicht an der Außenoberfläche angeordnet ist, wobei die Schicht an der Innenoberfläche und die Schicht an der Außenoberfläche denselben Brechungsindex aufweisen. Dazu können die Schicht an der Innenoberfläche und die Schicht an der Außenoberfläche beispielsweise ein gleiches Material umfassen oder aus einem gleichen Material sein. Weiterhin können die Brechungsindizes der direkt und unmittelbar angrenzenden zwei Schichten auch um nicht mehr als 10% voneinander abweichen. Beispielsweise kann die an die Innenoberfläche direkt und unmittelbar angrenzende Schicht eine Schicht der Halbleiterschichtenfolge sein, während die an die Außenoberfläche direkt und unmittelbar angrenzende Schicht die erste Farbstoffschicht sein kann.
Der erste Farbstoff kann beispielsweise ein organisches Material aufweisen oder sein. Insbesondere kann der erste Farbstoff wie bereits weiter oben erwähnt beispielsweise Dipole oder auch höhere Multipolmomente aufweisen, die an Oberflächenplasmonen in der Metallschicht bzw. der ersten Elektrode koppeln können. Der erste Farbstoff kann beispielsweise Tris-(8-hydroxyquinolin)aluminium (Alq3), 4-(Dicyanomethylen)-2-methyl-6-(4-dimethylaminostyryl)-4H-pyran (DCM), 4-(Dicyanomethylen)-2-methyl-6-[2-(2,3,6,7-tetrahydro-1H, 5H-benzo[ij]quinolizin-9-yl)ethenyl]-4H-pyran (DCM2), Coumarin oder Mischungen oder Kombinationen daraus umfassen oder sein. Derartige Farbstoffe lassen sich mit hoher Effizienz durch evaneszente elektromagnetische Felder von Oberflächenplasmonen zur Aussendung von elektromagnetischer Strahlung in einem ultravioletten bis infraroten Wellenlängenbereich und insbesondere von sichtbarem Licht in einem roten bis blauen und bevorzugt in einem roten bis grünen Wellenlängenbereich anregen. Derartige Farbstoffe können einen Brechungsindex von größer oder gleich 1,3 und kleiner oder gleich 2,5, insbesondere von etwa 1,7 aufweisen. Der erste Farbstoff kann weiterhin beispielsweise transparent oder zumindest teilweise transparent für die vom aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge im elektronischen Betrieb erzeugte, elektromagnetische Strahlung sein.
Beispielsweise kann die erste Farbstoffschicht auch ein Matrixmaterial aufweisen, in dem der erste Farbstoff eingebettet ist, das den ersten Farbstoff umgibt oder enthält oder das an den ersten Farbstoff chemisch gebunden ist. Das Matrixmaterial kann etwa ein organisches Material wie beispielsweise Polystyrol, Polycarbonat, Polyacryl, Polymethylmethacrylat, Epoxid, Polysiloxan, Silikon, Polyurethan und Polymere, Copolymere und Mischungen davon aufweisen oder aus einem solchen Material sein. Insbesondere kann das Matrixmaterial transparent oder nur schwach absorbierend für die vom ersten Farbstoff erzeugte, elektromagnetische Strahlung und/oder für die von der Halbleiterschichtenfolge erzeugte, elektromagnetische Strahlung sein. Der Brechungsindex der genannten Matrixmaterialien kann größer oder gleich 1,3 und kleiner oder gleich 2,5 sein, insbesondere größer oder gleich 1,5 und kleiner oder gleich 2. Weiterhin kann das Matrixmaterial auch eines der oben als Farbstoff genannten Materialien oder Derivate oder Verbindungen davon aufweisen. Dabei kann eine an die Innenoberfläche der Metallschicht grenzende Schicht, die etwa Teil der Halbleiterschichtenfolge sein kann, ein gleiches Matrixmaterial wie die erste Farbstoffschicht aufweisen.
Darüber hinaus kann die Farbstoffschicht je nach Wahl des ersten Farbstoffs und gegebenenfalls des Matrixmaterials einen Brechungsindex im Bereich von größer oder gleich 1,3 und kleiner oder gleich 2,5, weiterhin kleiner oder gleich 2 und insbesondere im Bereich von größer oder gleich 1,5 und kleiner oder gleich 1,7 aufweisen. Insbesondere kann die Konzentration des Farbstoffs im Matrixmaterial derart sein, dass der Brechungsindex der ersten Farbstoffschicht durch das Matrixmaterial gegeben ist.
Weiterhin kann wie bereits weiter oben beschrieben die Metallschicht zwischen zwei Schichten aus jeweils einem TCO-Material eingebettet werden, so dass unabhängig von den Materialien der Halbleiterschichtenfolge und beispielsweise der ersten Farbstoffschicht die erste Elektrode an der Innen- und Außenoberfläche der Metallschicht durch die angrenzenden TCO-Schichten übereinstimmende Dispersionsrelationen aufweisen kann.
Weiterhin kann wie bereits weiter oben beschrieben die Metallschicht der ersten Elektrode einen Schichtenstapel mit zumindest zwei Metallschichten aufweisen oder aus einem solchen gebildet sein. Durch geeignete Wahl der Materialien der zumindest zwei Metallschichten im Hinblick auf die auf der Innen- und Außenoberfläche angrenzenden Materialien, etwa der Halbleiterschichtenfolge und der ersten Farbstoffschicht, kann es ebenfalls möglich sein, die Oberflächenplasmonen-Dispersionsrelationen an der Innen- bzw. der Außenoberfläche aneinander anzugleichen.
Weiterhin kann zwischen der ersten Elektrode und der ersten Farbstoffschicht eine erste Abstandsschicht angeordnet sein. Die erste Abstandsschicht kann beispielsweise unmittelbar und direkt an die erste Elektrode und/oder an die erste Farbstoffschicht angrenzen. Die erste Abstandsschicht kann weiterhin ein organisches Material aufweisen, das beispielsweise eines der oben bezüglich des Matrixmaterials aufgeführten Materialien aufweist oder aus einem solchen ist. Insbesondere kann die erste Abstandsschicht einen Brechungsindex von größer oder gleich 1,5 und kleiner oder gleich 2 aufweisen und transparent oder zumindest teilweise transparent sein. Dabei kann eine Anpassung der Oberflächenplasmonen-Dispersionsrelation an der Außenfläche der Metallschicht an die Oberflächenplasmonen-Dispersionsrelation an der Innenfläche der Metallschicht auch durch eine geeignete Wahl der ersten Abstandsschicht erreicht werden. Die Dicke der ersten Abstandsschicht kann vorzugsweise kleiner als die oben beschriebene zweite charakteristische Abklinglänge sein und beispielsweise kleiner oder gleich 10 nm und größer oder gleich 1 nm sein.
Weiterhin kann zusätzlich oder alternativ zwischen der ersten Farbstoffschicht und der ersten Elektrode oder zwischen der ersten Abstandsschicht und der ersten Elektrode eine zusätzliche niedrigbrechende Schicht angeordnet sein, die einen Brechungsindex aufweist, der kleiner oder gleich dem Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge ist. Insbesondere kann die zusätzliche niedrigbrechende Schicht einen Brechungsindex von kleiner oder gleich 1,4 und eine Dicke von kleiner oder gleich 10 nm und größer oder gleich 1 nm aufweisen. Die zusätzliche niedrigbrechende Schicht kann beispielsweise Teflon aufweisen oder aus Teflon sein und transparent oder zumindest teilweise transparent sein. Die zusätzliche niedrigbrechende Schicht kann beispielsweise einen symmetrischen Feldstärkeverlauf der Oberflächenplasmonen an der Außenoberfläche der Metallschicht und eine verstärkte Kopplung der Oberflächenplasmonen an den ersten Farbstoff bewirken.
Weiterhin kann die Metallschicht der ersten Elektrode lateral angeordnete Löcher aufweist. Lateral bedeutet dabei insbesondere entlang einer Erstreckungsebene der ersten Elektrode und/oder parallel zur Innenoberfläche und/oder Außenoberfläche der Metallschicht. Die Löcher können sich dabei von der Innenoberfläche bis zur Außenoberfläche der Metallschicht der ersten Elektrode erstrecken. Die Löcher können weiterhin einen Durchmesser aufweisen, der kleiner oder gleich einer Wellenlänge der im elektronischen Betrieb des aktiven Bereichs erzeugten, elektromagnetischen Strahlung sein. Die Wellenlänge kann dabei eine charakteristische Wellenlänge der vom aktiven Bereich erzeugten, elektromagnetischen Strahlung sein. Die charakteristische Wellenlänge kann beispielsweise die intensitätsstärkste Wellenlänge des Spektrums der vom aktiven Bereich erzeugten elektromagnetischen Strahlung sein. Alternativ kann die charakteristische Wellenlänge auch die mittlere Wellenlänge des Spektralbereichs, in dem die vom aktiven Bereich erzeugte, elektromagnetische Strahlung liegt, sein. Weiterhin kann die charakteristische Wellenlänge auch die über die einzelnen spektralen Intensitäten gewichtete mittlere Wellenlänge des Spektrums der der vom aktiven Bereich erzeugten elektromagnetischen Strahlung sein. Beispielsweise können die Löcher einen Durchmesser von kleiner oder gleich 400 nm und größer oder gleich 50 nm aufweisen. Insbesondere können die Löcher einen Durchmesser von kleiner oder gleich 200 nm und größer oder gleich 100 nm, etwa 150 nm, aufweisen.
Die Löcher können weiterhin periodisch angeordnet sein und können beispielsweise eine Periodizität von größer oder gleich dem doppelten Durchmesser der Löcher aufweisen. Beispielsweise kann die Periodizität der Löcher größer oder gleich 100 nm, insbesondere auch größer oder gleich 300 nm und beispielsweise kleiner oder gleich 900 nm sein. Weiterhin können die Löcher auch eine Periodizität von größer oder gleich 900 nm aufweisen.
Derartige Löcher können etwa geeignet sein, die Kopplungsstärke zwischen Oberflächenplasmonen an der Innenoberfläche der Metallschicht und Oberflächenplasmonen an der Außenoberfläche der Metallschicht im Vergleich zu einer Metallschicht ohne Löcher zu vergrößern, insbesondere auch wenn die Dicke der Metallschicht größer als die erste charakteristische Abklinglänge einer vergleichbaren Metallschicht ohne Löcher ist und/oder wenn die Brechungsindizes der an die Innenoberfläche und Außenoberfläche der Metallschicht grenzenden Schichten nicht gleich sind. Insbesondere kann durch Einbringen der Löcher in die Metallschicht eine Dicke der Metallschicht oder der ersten Elektrode größer als die erste charakteristische Abklinglänge gewählt werden, so dass etwa die erste Elektrode nicht transparent ist. Die Kopplungsstärke von Oberflächenplasmonen an der Innen- und Außenoberfläche der Metallschicht kann somit unabhängig von den optischen Eigenschaften der Metallschicht und/oder der ersten Elektrode einstellbar sein.
Weiterhin kann zumindest eine der Hauptoberflächen der Metallschicht, also die Innenoberfläche und/oder die Außenoberfläche, eine Gitterstruktur aufweisen. Beispielsweise kann lediglich die Außenoberfläche oder lediglich die Innenoberfläche der Metallschicht eine Gitterstruktur aufweisen. Dabei kann es möglich sein, dass Oberflächenplasmonen an einer derartigen Gitterstruktur gestreut werden können, so dass sich der Oberflächenplasmonen-Impuls ändern kann. Dadurch kann die Oberflächenplasmonen-Dispersionsrelation auf zumindest einer der Hauptoberflächen der Metallschicht der ersten Elektrode derart geändert werden, dass die Kopplung von Oberflächenplasmonen auf der Innenoberfläche an Oberflächenplasmonen an der Außenoberfläche im Vergleich zu einer Metallschicht ohne Gitterstruktur vergrößert werden kann. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn beispielsweise keine Schichten mit übereinstimmenden Brechungsindizes an die Außen- bzw. Innenoberfläche der Metallschicht und/oder der ersten Elektrode angrenzen.
Die Gitterstruktur kann beispielsweise nebeneinander, insbesondere parallel, angeordnete oder auch sich kreuzende Stege, nebeneinander, insbesondere parallel, angeordnete oder auch sich kreuzende Vertiefungen oder schachbrettartig angeordnete Erhebungen umfassen. Die Gitterstruktur kann weiterhin eine Periodizität aufweisen, die kleiner oder gleich einer Wellenlänge der im elektronischen Betrieb des aktiven Bereichs erzeugten elektromagnetischen Strahlung ist. Beispielsweise kann die Periodizität größer oder gleich 100 nm und kleiner oder gleich 600 nm oder insbesondere größer oder gleich 300 nm und kleiner oder gleich 400 nm.
Weiterhin kann die erste Elektrode und/oder die Metallschicht der ersten Elektrode eine lateral variierende Dicke aufweisen. Das kann bedeuten, dass die erste Elektrode bzw. die Metallschicht der ersten Elektrode einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich aufweist, wobei der erste Bereich eine geringere Dicke als der zweite Bereich aufweist. Wie bereits weiter oben beschrieben hängt beispielsweise die Kopplung zwischen Oberflächenplasmonen an der Innenoberfläche und Oberflächenplasmonen an der Außenoberfläche der Metallschicht beziehungsweise der erste Elektrode von der Dicke der Metallschicht beziehungsweise der ersten Elektrode ab. Somit können im ersten Bereich mehr Oberflächenplasmonen an der Innenoberfläche an Oberflächenplasmonen an der Außenoberfläche koppeln als im zweiten Bereich. Dadurch kann der erste Farbstoff über dem ersten Bereich stärker zur Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung angeregt werden als der erste Farbstoff über dem zweiten Bereich. Damit kann eine strukturierte Abstrahlung der vom ersten Farbstoff erzeugten elektromagnetischen Strahlung möglich sein.
Die Dicke der Metallschicht im ersten Bereich kann beispielsweise sprunghaft, also stufenförmig, in die Dicke im zweiten Bereich übergehen, so dass auch eine sprunghafte Änderung der vom ersten Farbstoff abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung möglich ist. Weiterhin kann die Dicke im ersten Bereich auch kontinuierlich in die Dicke im zweiten Bereich übergehen, so dass die vom ersten Farbstoff abgestrahlte elektromagnetische Strahlung einen kontinuierlichen Farb- und/oder Intensitätsverlauf aufweisen kann. Weiterhin kann die erste Elektrode im ersten Bereich eine höhere Transparenz für die vom aktiven Bereich erzeugte elektromagnetische Strahlung als im zweiten Bereich aufweisen, so dass im ersten Bereich ein höherer Anteil der vom aktiven Bereich emittierten elektromagnetischen Strahlung als im zweiten Bereich wahrnehmbar ist.
Alternativ oder zusätzlich zur Dicke der Metallschicht und/oder der ersten Elektrode kann auch die Größe, Verteilung und/oder Anordnung von Löchern oder Gitterstrukturen in der Metallschicht lateral strukturiert sein, wodurch ebenfalls eine unterschiedliche Oberflächenplasmonen-Kopplung zwischen der Innenoberfläche und der Außenoberfläche der Metallschicht erreicht werden kann.
Alternativ oder zusätzlich können auch die erste Abstandsschicht und/oder die zusätzliche niedrigbrechende Schicht hinsichtlich ihrer Dicke lateral strukturiert sein. Weiterhin kann das strahlungsemittierende Bauelement zumindest einen ersten Bereich auf der ersten Elektrode aufweisen, in dem eine erste Abstandsschicht und/oder eine zusätzliche niedrigbrechende Schicht aufgebracht ist, während in einem zweiten Bereich keine erste Abstandsschicht und/oder eine zusätzliche niedrigbrechende Schicht aufgebracht ist.
Alternativ oder zusätzlich kann auch die erste Farbstoffschicht lateral strukturiert sein. Dazu kann die erste Farbstoffschicht beispielsweise einen ersten und einen zweiten Bereich mit unterschiedlicher Dicke oder unterschiedlichen Farbstoffen aufweisen. Weiterhin kann die erste Farbstoffschicht beispielsweise einen ersten Bereich mit dem ersten Farbstoff und einen zweiten Bereich ohne den ersten Farbstoff aufweisen.
Beispielsweise können durch derartige laterale Strukturierungen variable und/oder informationstragende Leuchteindrücke wie etwa Zeichen, Bilder oder Piktogramme durch das strahlungsemittierende Bauelement darstellbar sein.
Weiterhin kann die erste Farbstoffschicht auf einer der ersten Elektrode abgewandten Oberfläche eine Oberflächenstruktur aufweisen. Die Oberflächenstruktur kann Aufrauungen, Gräben, Prismen, Linsen oder Kegelstümpfe oder Kombinationen daraus aufweisen, die beispielsweise die Strahlungsauskopplung der im aktiven Bereich und/oder in der ersten Farbstoffschicht erzeugten elektromagnetischen Strahlung erhöhen und verbessern können.
Weiterhin kann auch die zweite Elektrode transparent sein. Beispielsweise kann die zweite Elektrode ein transparentes, elektrisch leitfähiges Oxid aufweisen wie weiter oben bereits im Zusammenhang mit der ersten Elektrode beschrieben ist.
Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Elektrode auch nicht transparent und weiterhin beispielsweise reflektierend ausgeführt sein. Beispielsweise können die erste Elektrode und die zweite Elektrode zumindest teilweise reflektierend ausgeführt sein, so dass die erste und zweite Elektrode einen optischen Resonator bilden können. Ein solcher optischer Resonator kann beispielsweise geeignet sein, bestimmte Moden des bei der Rekombination eines Exzitons erzeugten elektromagnetischen Feldes zu verstärken bzw. abzuschwächen. Durch geeignete Wahl des Abstandes zwischen der ersten und zweiten Elektrode und damit auch durch geeignete Wahl der Dicke der Halbleiterschichtenfolge kann der Resonator derart eingestellt werden, dass beispielsweise Moden des elektromagnetischen Felds verstärkt werden können, die besonders gut an Oberflächenplasmonen in der Metallschicht der ersten Elektrode koppeln können. Dadurch kann die Erzeugung und Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung durch die erste Farbstoffschicht verbessert werden.
Beispielsweise kann die zweite Elektrode eine als Bragg-Spiegel ausgeführte Schichtenfolge mit TCO-Materialien aufweisen. Weiterhin kann auf einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Oberfläche der zweiten Elektrode ein Bragg-Spiegel mit dielektrischen Oxiden wie etwa Siliziumdioxid und Titanoxid aufgebracht sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die zweite Elektrode auch eine Metallschicht aufweisen oder aus einer Metallschicht sein, die beispielsweise transparent, teilweise transparent oder teilweise reflektierend sein kann. Weiterhin kann das strahlungsemittierende Bauelement eine zweite Farbstoffschicht mit einem zweiten Farbstoff aufweisen, die auf einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Oberfläche der zweiten Elektrode angeordnet ist. Dabei können, wie oben für die erste Farbstoffschicht beschrieben, durch den elektronischen Betrieb des aktiven Bereichs Oberflächenplasmonen in der zweiten Elektrode angeregt werden und der zweite Farbstoff durch Oberflächenplasmonen in der zweiten Elektrode zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung angeregt werden.
Insbesondere können die Metallschicht der zweiten Elektrode, die zweite Elektrode, die zweite Farbstoffschicht und der zweite Farbstoff jeweils ein oder mehrere Merkmale aufweisen, die weiter oben im Zusammenhang mit der Metallschicht der ersten Elektrode, der ersten Elektrode, der ersten Farbstoffschicht und dem ersten Farbstoff beschrieben sind.
Weiterhin kann zwischen der zweiten Elektrode und der zweiten Farbstoffschicht eine zweite Abstandsschicht angeordnet sein, die ein oder mehrere Merkmale der weiter oben beschriebenen ersten Abstandsschicht aufweisen kann. Weiterhin kann auch zwischen der zweiten Elektrode und der zweiten Farbstoffschicht oder der zweiten Elektrode und der zweiten Abstandsschicht eine wie weiter oben beschriebene zusätzliche niedrigbrechende Schicht angeordnet sein.
Durch die erste Farbstoffschicht mit dem ersten Farbstoff auf der ersten Elektrode kann das hier beschriebene strahlungsemittierende Bauelement elektromagnetische Strahlung von der ersten Farbstoffschicht und/oder von der ersten Elektrode von der Halbleiterschichtenfolge weggerichtet abstrahlen. Die elektromagnetische Strahlung kann dabei je nach Transparenz der ersten Elektrode und Strukturierung der ersten Farbstoffschicht nur vom ersten Farbstoff abgestrahlte elektromagnetische Strahlung, nur durch die erste Elektrode transmittierte und vom aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge erzeugte elektromagnetische Strahlung oder eine Mischung daraus sein.
Das strahlungsemittierende Bauelement kann weiterhin ein Substrat aufweisen, auf dem die erste und zweite Elektrode, die Halbleiterschichtenfolge und die erste Farbstoffschicht angeordnet sind. Dabei können die erste Elektrode und die erste Farbstoffschicht auf einer der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge angeordnet sein. Somit kann das strahlungsemittierende Bauelement beispielsweise die vom ersten Farbstoff erzeugte elektromagnetische Strahlung vom Substrat weggerichtet abstrahlen („top emitter").
Alternativ dazu können die erste Elektrode und die erste Farbstoffschicht auf einer dem Substrat zugewandten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge angeordnet sein. Die erste Farbstoffschicht kann dabei also zwischen dem Substrat und der ersten Elektrode angeordnet sein. Somit kann das strahlungsemittierende Bauelement die vom ersten Farbstoff erzeugte elektromagnetische Strahlung durch das Substrat hindurch abstrahlen, wobei das Substrat dabei zumindest teilweise transparent ausgeführt ist („bottom emitter").
Beispielsweise kann das Substrat Glas, Quarz, Kunststofffolien, Metall, Metallfolien, Siliziumwafer oder ein anderes geeignetes Substratmaterial umfassen.
Ist die zweite Elektrode transparent ausgeführt oder weist die zweite Elektrode ebenfalls eine Metallschicht und darüber eine zweite Farbstoffschicht wie weiter oben beschrieben auf, so kann das strahlungsemittierende Bauelement auch als beidseitig emittierendes strahlungsemittierendes Bauelement ausgeführt sein. Insbesondere kann das strahlungsemittierende Bauelement dabei auf den beiden Seiten jeweils einen verschiedenen oder einen gleichen Farbeindruck bei einem Betrachter erwecken. Dabei kann ein beidseitig emittierendes strahlungsemittierendes Bauelement im ausgeschalteten Betrieb auch opak, also nicht transparent, oder reflektierend für einen externen Beobachter wahrnehmbar sein, wenn zumindest eine der ersten und zweiten Elektrode nicht transparent oder reflektierend ausgeführt ist.
Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge als organische Halbleiterschichtenfolge und insbesondere als organische, strahlungsemittierende Diode (OLED) ausgeführt sein. Eine organische Halbleiterschichtenfolge beziehungsweise eine OLED kann beispielsweise einen funktionalen Bereich mit einer oder mehreren funktionalen Schichten aus organischen Materialien aufweisen, die den aktiven Bereich umfassen können. Die funktionalen Schichten können dabei beispielsweise Elektronentransportschichten, Löcherblockierschichten, elektrolumineszierende Schichten, Elektronenblockierschichten und/oder Lochtransportschichten aufweisen. Die erste Elektrode kann beispielsweise als Kathode und die zweite Elektrode kann als Anode ausgebildet sein. Alternativ kann auch die erste Elektrode als Anode und die zweite Elektrode als Kathode ausgebildet sein.
Die funktionalen Schichten können organische Polymere, organische Oligomere, organische Monomere, organische kleine, nicht-polymere Moleküle („small molecules") oder Kombinationen daraus aufweisen. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn eine funktionale Schicht als Lochtransportschicht ausgeführt ist um eine effektive Löcherinjektion in eine elektrolumineszierende Schicht oder einen elektrolumineszierenden Bereich zu ermöglichen. Als Materialien für eine Lochtransportschicht können sich beispielsweise tertiäre Amine, Carbazolderivate, leitendes Polyanilin oder Polyethylendioxythiophen als vorteilhaft erweisen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn eine funktionelle Schicht als elektrolumineszierende Schicht ausgeführt ist. Als Materialien hierzu eignen sich Materialien, die eine Strahlungsemission aufgrund von Fluoreszenz oder Phosphoreszenz aufweisen, beispielsweise Polyfluoren, Polythiophen oder Polyphenylen oder Derivate, Verbindungen, Mischungen oder Copolymere davon. Abhängig von den Materialien in den funktionellen Schichten kann im aktiven Bereich elektromagnetische Strahlung mit einer einzelnen Wellenlänge oder einem oder mehreren Wellenlängenbereichen oder Kombinationen daraus aus dem ultravioletten bis infrarotem Spektralbereich und insbesondere aus einem sichtbaren Spektralbereich aufweisen.
Weiterhin kann die OLED eine Verkapselung aufweisen, um für die Elektroden und den funktionalen Bereich einen Schutz vor Feuchtigkeit und/oder oxidierenden Substanzen wie etwa Sauerstoff zu erreichen. Dabei kann die Verkapselung die gesamte OLED einschließlich des Substrats umgeben. Alternativ oder zusätzlich kann das Substrat einen Teil der Verkapselung bilden. Die Verkapselung kann dabei eine oder mehrere Schichten umfassen, wobei die Schichten der Verkapselung beispielsweise Planarisierungsschichten, Barriereschichten, Wasser und/oder Sauerstoff absorbierende Schichten, Verbindungsschichten oder Kombinationen daraus sein können.
Die erste und zweite Elektrode sowie die Halbleiterschichtenfolge können beispielsweise mittels bekannter Herstellungs- und Aufbringverfahren für OLEDs herstellbar sein. Die erste Farbstoffschicht kann nach der Herstellung der ersten und zweiten Elektrode und der dazwischen angeordneten Halbleiterschichtenfolge auf der ersten Elektrode mittels einem weiteren Verdampfungs- oder Beschichtungsschritt aufgebracht werden. Alternativ dazu kann die erste Falbstoffschicht auf einem Substrat mittels einem Verdampfungs- oder Beschichtungsverfahren aufgebracht werden und die erste Elektrode, die Halbleiterschichtenfolge und die zweite Elektrode dann in weiteren Verdampfungs- oder Beschichtungsschritten.
Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge auch eine Epitaxieschichtenfolge, also eine epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge, aufweisen. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge beispielsweise auf der Basis eines anorganischen Materials, etwa InGaAlN, wie etwa als GaN-Dünnfilm-Halbleiterschichtenfolge, ausgeführt sein. Unter InGaAlN-basierte Halbleiterschichtenfolgen fallen insbesondere solche, bei denen die epitaktisch hergestellte Halbleiterschichtenfolge, die in der Regel eine Schichtenfolge aus unterschiedlichen Einzelschichten aufweist, mindestens eine Einzelschicht enthält, die ein Material aus dem III–V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist.
Alternativ oder zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge auch auf InGaAlP basieren, das heißt, dass die Halbleiterschichtenfolge unterschiedliche Einzelschichten aufweist, wovon mindestens eine Einzelschicht ein Material aus dem III–V-Verbindungshalbleitermaterialsystem In_xAl_yGa_1-x-yP mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Halbleiterschichtenfolge auch andere III–V-Verbindungshalbleitermaterialsysteme, beispielsweise ein AlGaAs-basiertes Material, oder II–VI-Verbindungshalbleitermaterialsysteme aufweisen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1A bis 6E beschriebenen Ausführungsformen.
Es zeigen:
1A eine schematische Darstellung eines strahlungsemittierenden Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel und
1B bis 7B schematische Darstellungen von strahlungsemittierenden Bauelementen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
In 1A ist strahlungsemittierendes Bauelement 1000 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt.
Das strahlungsemittierende Bauelement 1000 weist dabei eine erste Elektrode 1 und eine zweite Elektrode 2 auf, zwischen denen eine Halbleiterschichtenfolge 3 angeordnet ist. Die Halbleiterschichtenfolge 3 umfasst einen aktiven Bereich 30, der geeignet ist, im elektronischen Betrieb des strahlungsemittierenden Bauelements elektromagnetische Strahlung abzustrahlen.
Die erste Elektrode weist weiterhin eine Metallschicht 10 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel aus Silber und nicht transparent ist. Die Metallschicht ist dabei zwischen zwei weiteren Schichten 11, 12 eingebettet, die jeweils ein transparentes, elektrisch leitendes Oxid aufweisen. Dabei grenzt die weitere Schicht 11 an eine Innenoberfläche 13 der Metallschicht 10, während die Schicht 12 an eine Außenoberfläche 14 der Metallschicht 10 grenzt. Die beiden Schichten 11 und 12 weisen denselben Brechungsindex auf, so dass die Oberflächenplasmonen-Dispersionsrelationen an der Innenoberfläche 13 und an der Außenoberfläche 14 gleich sind. Alternativ oder zusätzlich dazu können die zwei Schichten 11 und 12 andere transparente oder nichttransparente elektrisch leitende Materialien umfassen, etwa organische elektrisch leitende Materialien, oder weitere Schichten aus solchen Materialien aufweisen. Weiterhin kann die erste Elektrode 1 auch nur eine oder keine der beiden Schichten 11 und 12 aufweisen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Halbleiterschichtenfolge 3 als organische Halbleiterschichtenfolge ausgeführt und insbesondere als organische lichtemittierende Diode (OLED) ausgebildet. Der aktive Bereich 30 umfasst dabei eine Elektrolumineszenzschicht, die zwischen einer Lochtransportschicht und einer Elektronentransportschicht eingebettet ist. Dabei ist die erste Elektrode als Kathode und die zweite Elektrode als Anode ausgebildet, so dass im elektronischen Betrieb des strahlungsemittierenden Bauelements durch die erste Elektrode Elektronen und durch die zweite Elektrode Löcher in die Halbleiterschichtenfolge 3 injiziert werden. Durch die im allgemeinen Teil beschriebene Bildung und Rekombination von Exzitonen im aktiven Bereich werden elektromagnetische Felder erzeugt, die teilweise als Photonen, also als elektromagnetische Strahlung, abgestrahlt werden können und die teilweise in der ersten Elektrode 1 Oberflächenplasmonen anregen können.
Die zweite Elektrode ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als transparenter Metallfilm ausgeführt, durch den die vom aktiven Bereich 30 der Halbleiterschichtenfolge 3 erzeugte elektromagnetische Strahlung in die mit 101 gekennzeichnete Richtung abgestrahlt werden kann.
Weiterhin ist auf einer von der Halbleiterschichtenfolge abgewandten Hauptoberfläche 15 der ersten Elektrode eine erste Farbstoffschicht 4 mit einem ersten Farbstoff 40 aufgebracht. Der erste Farbstoff 40, der im gezeigten Ausführungsbeispiel Alq3 umfasst, kann wie im allgemeinen Teil beschrieben durch Oberflächenplasmonen in der ersten Elektrode zur Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung angeregt werden. Die vom ersten Farbstoff 40 durch Oberflächenplasmonen-Anregung erzeugte elektromagnetische Strahlung wird dabei in die mit 100 gekennzeichnete Richtung abgestrahlt.
Das in 1A gezeigte strahlungsemittierende Bauelement 1000 ist damit im ausgeschalteten Zustand nicht transparent, da die erste Elektrode 1 die nicht-transparente Metallschicht 10 aufweist. Im elektronischen Betrieb hingegen strahlt das strahlungsemittierende Bauelement 1000 beidseitig ab, das heißt in die Richtungen 100 und 101. Dabei kann die vom aktiven Bereich 30 erzeugte elektromagnetische Strahlung verschieden von der vom ersten Farbstoff 40 erzeugten elektromagnetischen Strahlung sein, so dass das strahlungsemittierende Bauelement in den Abstrahlrichtungen 100 und 101 jeweils verschiedene Leuchteindrücke bei einem Betrachter erwecken kann.
Die in den weiteren Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele von strahlungsemittierenden Bauelementen sind Modifikationen des in 1A gezeigten strahlungsemittierenden Bauelements 1000. Im Folgenden werden daher hauptsächlich die Unterschiede zu vorangegangenen Ausführungsbeispielen erläutert. Beschreibungen zu Elementen, die in einem der folgenden Ausführungsbeispiele nicht explizit erläutert sind, sind den Beschreibungen zu den jeweils vorangegangenen Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
In 1B ist zur weiteren Erläuterung des Energietransfers zwischen dem aktiven Bereich 30 und dem ersten Farbstoff 40 ein strahlungsemittierendes Bauelement 1001 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt.
Das strahlungsemittierende Bauelement 1001 weist im Gegensatz zum strahlungsemittierenden Bauelement 1000 des vorherigen Ausführungsbeispiels eine erste Elektrode 1 auf, die durch die Metallschicht 10 gebildet ist. Das bedeutet, dass die Metallschicht 10 mit der Innenoberfläche 13 direkt und unmittelbar an die Halbleiterschichtenfolge 3 grenzt und mit der Außenoberfläche 14 direkt und unmittelbar an die erste Farbstoffschicht 4.
Die erste Farbstoffschicht 4 weist den ersten Farbstoff 40 auf, der in diesem Ausführungsbeispiel in ein Matrixmaterial 48 eingebettet ist. Das Matrixmaterial 48 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel Polymethylmethacrylat (PMMA) und ist transparent für die vom ersten Farbstoff 40 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung.
Im elektronischen Betrieb des strahlungsemittierenden Bauelements 1001 regt ein durch Rekombination eines Exzitons im aktiven Bereich 30 erzeugtes elektromagnetisches Feld ein Oberflächenplasmon 93 an der Innenoberfläche 13 der Metallschicht 10 an. Die Kopplung des elektromagnetischen Feldes an das Oberflächenplasmon ist dabei durch den Pfeil 90 angedeutet. Die Kopplung zwischen dem elektromagnetischen Feld des rekombinierenden Exzitons und dem Oberflächenplasmon 93 hängt dabei von der Energie und der Ausbreitungsrichtung des elektromagnetischen Felds und von der Dispersionsrelation, also der Energie-Impuls-Abhängigkeit der Oberflächenplasmonen 93 in der ersten Elektrode 1, das heißt in der Metallschicht 10, ab. Die Dispersionsrelation ist abhängig von den Brechungsindizes der Metallschicht 10 und der an der Innenoberfläche 13 angrenzenden Halbleiterschichtenfolge 30. Falls die erste Elektrode 1 wie im vorangegangenen Ausführungsbeispiel eine weitere Schicht 11 an der Innenoberfläche 13 der Metallschicht 10 aufweist, kann auch über die Wahl der Schicht 11, beispielsweise hinsichtlich Material, dicke und/oder Struktur, die Dispersionsrelation an der Innenoberfläche 13 der Metallschicht 10 eingestellt werden.
Durch das Oberflächenplasmon 93 an der Innenoberfläche 13 wird ein evaneszentes elektromagnetisches Feld hervorgerufen, dessen Intensitätsverlauf I₁ in der Metallschicht 10 und in der Halbleiterschichtenfolge 3 im Graphen 99 schematisch dargestellt ist. Weiterhin ist auch die im allgemeinen Teil beschriebene erste charakteristische Abklinglänge d1 des evaneszenten elektromagnetischen Felds in der Metallschicht 10 angedeutet.
Ein Oberflächenplasmonen 93 an der Innenoberfläche 13 kann an ein Oberflächenplasmonen 94 an der Außenoberfläche 14 der Metallschicht 10 koppeln, wobei die Kopplung durch den Pfeil 91 angedeutet ist. Mit anderen Worten bedeutet das, dass das evaneszente elektromagnetische Feld des Oberflächenplasmons 93 ein Oberflächenplasmon 94 an der Außenoberfläche 14 der Metallschicht 10 anregt.
Die Metallschicht 10 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel aus Silber und weist eine Dicke von etwa 24 nm auf, was in etwa der ersten charakteristischen Abklinglänge d1 des durch ein Oberflächenplasmon 93 in der Metallschicht 10 erzeugten evaneszenten elektromagnetischen Felds entspricht. Alternativ dazu kann die Metallschicht 10 und damit die erste Elektrode 1 im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Dicke aufweisen, die kleiner als die erste charakteristische Abklinglänge d1 ist, wodurch die Kopplung 91 verstärkt werden kann.
Alternativ dazu kann die Dicke der Metallschicht 10 auch größer als die erste Abklinglänge sein, da bei einer dickeren Metallschicht das evaneszente elektromagnetische Feld verstärkt werden kann, die der exponentiellen Abschwächung entgegenwirken kann, so dass auch bei einer Dicke größer als die charakteristischen Abklinglänge ebenfalls eine Kopplung stattfinden kann. Zur Ausnutzung des Verstärkungseffekts kann die Metallschicht beispielsweise eine Dicke von etwa 50 nm, also etwa der doppelten Abklinglänge, aufweisen. Durch die genannte Überhöhung des evaneszenten elektromagnetischen Feldes kann eine Verstärkung des Oberflächenplasmonenfeldes erreicht werden.
Das Oberflächenplasmon 94 an der Außenoberfläche 14 der Metallschicht 10 beziehungsweise der ersten Elektrode 1 erzeugt in der ersten Farbstoffschicht 40 ein evaneszentes elektromagnetisches Feld I₂, das im Graphen 99 ebenfalls schematisch dargestellt ist. Weiterhin ist auch die zweite charakteristische Abklinglänge d2 des evaneszenten elektromagnetischen Felds in der Farbstoffschicht 40 angedeutet.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das evaneszente elektromagnetische Feld des Oberflächenplasmons 94 in der Farbstoffschicht 4 mit PMMA als Matrixmaterial 48 eine zweite charakteristische Abklinglänge von etwa 390 nm auf, was der Dicke der Farbstoffschicht 40 entspricht. Der Farbstoff 40 kann an das evaneszente elektromagnetische Feld der Oberflächenplasmonen 94 an der Außenoberfläche 14 der Metallschicht 10 koppeln, wie durch den Pfeil 92 dargestellt ist. Dadurch kann der Farbstoff 40 zur Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung angeregt werden.
Durch die Kopplung 90 der durch rekombinierende Exzitonen erzeugten elektromagnetischen Felder an Oberflächenplasmonen an der Innenoberfläche 13 der Metallschicht 10, die Kopplung 91 von Oberflächenplasmonen an der Innenoberfläche 13 an Oberflächenplasmonen an der Außenoberfläche 14 der Metallschicht 10 und die Kopplung 92 des ersten Farbstoffs 40 an die Oberflächenplasmonen an der Außenoberfläche 14 kann ein strahlungsloser Energietransfer zwischen dem aktiven Bereich 30 und dem ersten Farbstoff 40 ermöglicht werden. Darüber hinaus kann auch ein Teil der Oberflächenplasmonen an der Innenoberfläche 12 der Metallschicht 10 direkt an den ersten Farbstoff 40 koppeln. Dadurch kann vom aktiven Bereich die in Oberflächenplasmonen eingekoppelte Energie zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung genutzt werden, wodurch die Effizienz des strahlungsemittierenden Bauelements 1001 erhöht werden kann.
In 2A ist ein strahlungsemittierendes Bauelement 2000 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt.
Das strahlungsemittierende Bauelement 2000 weist ein Substrat 5 aus Glas auf, auf dem die zweite Elektrode 2 aufgebracht ist. Darüber sind die Halbleiterschichtenfolge 3 sowie die erste Elektrode 1 und die erste Farbstoffschicht 4 angeordnet. Die erste Elektrode 1 ist wie im vorangegangenen Ausführungsbeispielen als Metallschicht 10 ausgebildet.
Die erste Farbstoffschicht 4 weist wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen einen ersten Farbstoff in einem Matrixmaterial auf, die aus Gründen der Übersicht nicht gezeigt sind. Die Halbleiterschichtenfolge 3 weist wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen einen aktiven Bereich 30 auf, der ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt ist.
Die zweite Elektrode 2 ist als Anode aus ITO ausgebildet, so dass die zweite Elektrode 2 wie das Glas-Substrat 5 transparent sind. Dadurch kann das strahlungsemittierende Bauelement 2000 elektromagnetische Strahlung, die im elektronischen Betrieb des strahlungsemittierenden Bauelements 2000 in der Halbleiterschichtenfolge 3 erzeugt wird, durch das Substrat 5 in die mit 101 gekennzeichnete Richtung abgestrahlen.
Die erste Elektrode 1 ist reflektierend ausgebildet, so dass in die Richtung 100 die von der Farbstoffschicht 4 durch Oberflächenplasmonen-Anregung erzeugte elektromagnetische Strahlung abgestrahlt werden kann.
Alternativ dazu kann die erste Elektrode zumindest teilweise transparent ausgebildet sein, so dass zumindest ein Teil der von der Halbleiterschichtenfolge 3 erzeugten elektromagnetischen Strahlung auch in die Richtung 100 abgestrahlt werden kann. Beispielsweise über die Dicke der ersten Elektrode 1 kann dann die Transparenz der ersten Elektrode 1 eingestellt werden und damit das in die Richtung 100 abgestrahlte Mischungsverhältnis der von der Halbleiterschichtenfolge 3 und der ersten Farbstoffschicht 4 abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung.
Das strahlungsemittierende Bauelement 2001 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2B weist wie das vorhergehende strahlungsemittierende Bauelement 2000 ein transparentes Substrat 5 auf. Auf dem Substrat 5 ist die erste Farbstoffschicht 4 und darüber die erste Elektrode 1 mit der Metallschicht 10 aufgebracht. Somit weist das strahlungsemittierende Bauelement 2001 vom Substrat 5 aus gesehen gerade den umgekehrten Aufbau im Vergleich zum strahlungsemittierenden Bauelement 2000 auf. Die durch das Substrat 5 in Richtung 100 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung weist die von der ersten Farbstoffschicht 4 abgestrahlte elektromagnetische Strahlung auf.
Die zweite Elektrode 2, die auf der dem Substrat 5 abgewandten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge 3 angeordnet ist, ist als transparente Metallschicht ausgebildet, so dass die in der Halbleiterschichtenfolge 3 erzeugte elektromagnetische Strahlung vom Substrat 5 weggerichtet in die Richtung 101 abgestrahlt werden kann.
In 3A ist ein strahlungsemittierendes Bauelement 3000 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, das insbesondere eine Modifikation des in 2A gezeigten strahlungsemittierenden Bauelements 2000 ist. Im Vergleich zum strahlungsemittierenden Bauelement 2000 weist das strahlungsemittierende Bauelement 3000 zwischen der ersten Elektrode 1 und ersten Farbstoffschicht 4 eine erste Abstandschicht 6 auf.
Die erste Abstandsschicht 6 weist dabei ein organisches Material, das einen Brechungsindex aufweist, der gleich dem Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 3 ist. Die erste Abstandsschicht weist insbesondere im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Material auf, das auch in der Halbleiterschichtenfolge 3 enthalten ist. Dadurch kann die Oberflächenplasmonen-Dispersionsrelation an der der ersten Farbstoffschicht 4 zugewandten Außenoberfläche der ersten Elektrode 1 bzw. Metallschicht 10 an die Oberflächenplasmonen-Dispersionsrelation an der der Halbleiterschichtenfolge 3 zugewandten Innenoberfläche der ersten Elektrode 1 bzw. Metallschicht 10 angepasst werden. Daher weist das strahlungsemittierende Bauelement 3000 eine brechungsindexangepasste Kopplung von Oberflächenplasmonen auf der Innenoberfläche an Oberflächenplasmonen an der Außenoberfläche der Metallschicht 10 auf. Die Wahl des ersten Farbstoffs oder des Matrixmaterials der ersten Farbstoffschicht 4 kann somit unabhängig vom jeweiligen Brechungsindex erfolgen, da die erste Abstandsschicht 6 zwischen der ersten Elektrode 1 und der ersten Farbstoffschicht 4 angeordnet ist.
Weiterhin weist die erste Farbstoffschicht 4 eine Oberflächenstrukturierung 49 in Form von Mikroprismen auf. Durch die Oberflächenstrukturierung 49 kann die Auskopplung und Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung aus der ersten Farbstoffschicht 40 verbessert werden. Dies kann beispielsweise durch eine Verminderung der Totalreflexion von elektromagnetischer Strahlung in der ersten Farbstoffschicht 40 an der der ersten Elektrode 1 abgewandten Oberfläche der ersten Farbstoffschicht erreicht werden.
In 3B ist ein strahlungsemittierendes Bauelement 3001 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Das strahlungsemittierende Bauelement 3001 weist die gleiche Anordnung von erster und zweiter Elektrode 1, 2, Halbleiterschichtenfolge 3 und erster Farbstoffschicht 4 auf dem Substrat 5 wie das strahlungsemittierende Bauelement 2001 in der 2A auf.
Weiterhin umfasst das strahlungsemittierende Bauelement 3001 eine erste Abstandsschicht 6 zwischen der ersten Farbstoffschicht 4 und der ersten Elektrode 1. Zwischen der ersten Abstandsschicht 6 und der ersten Elektrode 1 ist eine zusätzliche niedrigbrechede Schicht 9 angeordnet. Die zusätzliche niedrigbrechende Schicht 9 ist aus Teflon und nur einige Nanometer dick. Durch den im Vergleich zur Halbleiterschichtenfolge 3 niedrigeren Brechungsindex von etwa 1,4 und die geringe Dicke kann ein symmetrischer Feldstärkeverlauf des von den Oberflächenplasmonen an der Außenoberfläche der ersten Elektrode bzw. Metallschicht 10 hervorgerufenen evaneszenten elektromagnetischen Felds erreicht werden und damit eine verbesserte Kopplung des ersten Farbstoffs der ersten Farbstoffschicht 4 an die Oberflächenplasmonen.
Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann auch nur die zusätzliche niedrigbrechende Schicht 9 ohne die erste Abstandsschicht 6 zwischen der ersten Elektrode 1 und der ersten Farbstoffschicht 4 angeordnet sein.
In 4A ist ein strahlungsemittierendes Bauelement 4000 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt.
Das strahlungsemittierende Bauelement 4000 weist auf einem transparenten Glas-Substrat 5 eine erste Farbstoffschicht 4 mit einem ersten Farbstoff 40 in einem Matrixmaterial 48 auf. Über der ersten Elektrode 1 ist eine Halbleiterschichtenfolge 3 mit einem aktiven Bereich angeordnet. Über der Halbleiterschichtenfolge 3 sind eine zweite Elektrode 2 und eine zweite Farbstoffschicht 8 mit einem zweiten Farbstoff 80 in einem Matrixmaterial 88 angeordnet.
Die erste Elektrode 1 weist eine Metallschicht 10 auf und kann noch weitere Schichten, wie beispielsweise in Zusammenhang mit dem strahlungsemittierenden Bauelement 1000 in 1A erläutert, aufweisen. Die zweite Elektrode 2 weist eine Metallschicht 20 auf und kann ebenfalls noch weitere Schichten wie auch die erste Elektrode 1 umfassen. Insbesondere können die erste und zweite Elektrode 1, 2 gleich ausgeführt sein, wobei eine der beiden Elektroden 1, 2 als Kathode die andere der beiden Elektroden 1, 2 als Anode ausgeführt ist.
Die Metallschichten der ersten und zweiten Elektrode 1, 2 sind reflektierend und nichttransparent ausgeführt und bilden einen Resonator, in dem die Halbleiterschichtenfolge 3 mit dem aktiven Bereich 30 angeordnet ist. Dazu ist die jeweilige Dicke der Metallschichten 10 und 20 ausreichend groß gewählt, dass die erste und zweite Elektrode 1, 2 zumindest im sichtbaren Wellenlängenbereich nichttransparent sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Metallschichten 10 und 20 jeweils eine Dicke von etwa 200 nm auf. Um dennoch eine gute Kopplung der Oberflächenplasmonen auf den Innen- und Außenoberflächen der Metallschichten 10 und 20 zu erreichen, weisen die Metallschichten 10 und 20 jeweils lateral angeordnete Löcher 16, 26 auf, die rein exemplarisch mittels der gestrichelten Linien angedeutet sind. Die Löcher 16 und 26 weisen dabei eine Periodizität von etwa 600 nm bei einem Durchmesser von etwa 150 nm auf. Die Anordnung der Löcher ist im gezeigten Ausführungsbeispiel quadratisch, kann aber auch beispielsweise hexagonal sein.
Alternativ oder zusätzlich zu den Löchern 16, 26 kann ein der beiden Metallschichten 10, 20 oder beide an zumindest einer Oberfläche wie im allgemeinen Teil beschrieben auch eine Gitterstruktur aufweisen.
Der in den vorherigen Ausführungsbeispielen und im allgemeinen Teil beschriebene Energietransfermechanismus vom aktiven Bereich auf den ersten Farbstoff 4 gilt analog auch für den zweiten Farbstoff 80 der zweiten Farbstoffschicht 8. Damit kann das strahlungsemittierende Bauelement 4000 durch das Substrat 5 in die Richtung 100 vom ersten Farbstoff 40 durch Oberflächenplasmonen-Anregung erzeugte elektromagnetische Strahlung und vom Substrat weggerichtet in Richtung 101 vom zweiten Farbstoff 80 durch Oberflächenplasmonen-Anregung erzeugte elektromagnetische Strahlung abstrahlen. Beispielsweise durch die Wahl des ersten und zweiten Farbstoffs 40, 80 und/oder die jeweilige Dicke der ersten und zweiten Elektrode 1, 2 und/oder der Anordnung und Größe der Löcher 16, 26 und/oder durch die jeweilige Dicke der ersten und zweiten Farbstoffschicht 4, 8 kann der Leuchteindruck des strahlungsemittierenden Bauelements 4000 in die Richtungen 100 und 101 gleich oder unterschiedlich voneinander gewählt werden.
Die Dicke der Halbleiterschichtenfolge 3 und gegebenenfalls der weiteren zwischen den Metallschichten 10, 20 und der Halbleiterschichtenfolge 3 angeordneten Schichten der Elektroden 1, 2 sind derart angepasst, dass der Resonator insbesondere elektromagnetische Feldmoden für von rekombinierenden Exzitonen erzeugten elektromagnetischen Felder verstärkt, die an Oberflächenplasmonen in den Metallschichten 10, 20 koppeln können. Dadurch kann es möglich sein, dass die Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung vom aktiven Bereich 30 unterdrückt oder zumindest im Vergleich zu bekannten strahlungsemittierenden Bauelementen stark unterdrückt ist und die im aktiven Bereich 30 durch die Exzitonen-Rekombination erzeugte Energie in einem im Vergleich zu herkömmlichen strahlungsemittierenden Bauelementen verstärkten Maße zur Erzeugung von Oberflächenplasmonen genutzt werden kann.
Alternativ kann die erste Elektrode 1 und/oder die zweite Elektrode 2 auch zumindest teilweise transparent ausgeführt sein, so dass zumindest ein Teil von im aktiven Bereich 30 erzeugter elektromagnetischer Strahlung in die Richtung 100 und/oder die Richtung 101 abgestrahlt werden kann.
In 4B ist ein strahlungsemittierendes Bauelement 4001 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, das im Gegensatz zum vorherigen Ausführungsbeispiel eine erste und zweite Elektrode 1, 2 aufweist, die jeweils durch die Metallschicht 10 und 20 gebildet wird. Zwischen der ersten Elektrode 1 und der ersten Farbstoffschicht 4 ist eine erste Abstandsschicht 6 angeordnet. Zwischen der zweiten Elektrode 2 und der zweiten Farbstoffschicht 8 ist eine zweite Abstandsschicht 7 angeordnet. Die erste und zweite Abstandsschicht 6 und 7 dienen wie bereits weiter oben beschrieben der Verbesserung der Kopplung 91 zwischen Oberflächenplasmonen 93 auf den Innenoberflächen der Metallschichten 10, 20 an Oberflächenplasmonen 94 an den Außenoberflächen der Metallschichten 10, 20. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die erste und zweite Abstandsschicht 6, 7 dasselbe organische Material auf, das wiederum einen Brechungsindex aufweist, der gleich dem Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge 3 ist.
Wie in 1B sind in 4B die Kopplung 90 der im aktiven Bereich 30 durch Exzitonen-Rekombination erzeugten elektromagnetischen Felder an Oberflächenplasmonen 93 an den Innenoberflächen der Metallschichten 10, 20, die oben bereits erwähnte Kopplung 91 und die Kopplung 92 der Oberflächenplasmonen 94 auf den Außenoberflächen der Metallschichten 10, 20 an den ersten beziehungsweise zweiten Farbstoff 40, 80 angedeutet. Ebenfalls sind die durch die Oberflächenplasmonen 93 und 94 erzeugten evaneszenten elektromagnetischen Felder in den Graphen 99 angedeutet.
In den 5A bis 7B sind weitere Ausführungsbeispiele für strahlungsemittierende Bauelemente gezeigt, die eine strukturierte Abstrahlung der von der ersten Farbstoffschicht 4 erzeugten elektromagnetischen Strahlung ermöglichen.
Das strahlungsemittierende Bauelement 5000 in 5A weist dazu eine erste Elektrode 1 mit lateral variierender Dicke auf. Dabei umfasst die erste Elektrode 1 einen ersten Bereich 18 mit einer ersten Dicke und einen zweiten Bereich 19 mit einer zweiten Dicke, wobei die erste und zweite Dicke verschieden voneinander sind. Die Bereiche 18 und 19 sind durch die gestrichelten Linien angedeutet.
Die erste Elektrode 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Metallschicht 10 gebildet, die eine lateral variierende Dicke aufweist. Die Metallschicht 10 ist dabei durch graduelles Aufdampfen auf der Halbleiterschichtenfolge 3 herstellbar. Alternativ dazu kann die erste Elektrode 1 auch zumindest eine weitere Schicht aufweisen, die zusätzlich oder alternativ zur Metallschicht 10 eine lateral variierende Dicke aufweist.
Durch die geringere Dicke im Bereich 18 im Vergleich zum Bereich 19 ist im Bereich 18 eine stärkere Kopplung zwischen den Oberflächenplasmonen auf der Innen- und Außenoberfläche der Metallschicht 10 gegeben. Dadurch kann im Bereich 18 im Vergleich zum Bereich 19 mehr Energie vom aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge 3 auf die erste Farbstoffschicht 4 übertragen werden, wodurch der erste Farbstoff über dem Bereich 18 elektromagnetische Strahlung mit einer höheren Intensität abstrahlen kann als der erste Farbstoff über dem Bereich 19. Alternativ dazu kann durch den oben beschriebenen Effekt der Überhöhung und Verstärkung des evaneszenten elektromagnetischen Feldes in einer dicken Metallschicht 10 bei einer geeigneten Dicke, etwa im Bereich von etwa 50 nm, der umgekehrte Effekt hinsichtlich der Kopplung in den Bereichen 18 und 19 erreicht werden.
Weiterhin ist die erste Elektrode 1 im Bereich 18 transparenter für die vom aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge 3 erzeugten elektromagnetischen Strahlung, so dass durch den Bereich 18 im Vergleich zum Bereich 19 auch ein höherer Anteil der im aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge 3 erzeugten elektromagnetischen Strahlung abgestrahlt werden kann.
Da die Dicke der ersten Elektrode 1 wie im gezeigten Ausführungsbeispiel kontinuierlich vom ersten Bereich 18 zum zweiten Bereich 19 ansteigt, kann so ein lateraler kontinuierlicher Farb- und Helligkeitsverlauf erzeugt werden.
In 5B ist ein strahlungsemittierendes Bauelement 5001 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, das eine stufenförmige Änderung der Dicke der ersten Elektrode 1 vom Bereich 18 zum Bereich 19 aufweist. Dabei kennzeichnet die gestrichelte Linie die Grenze zwischen dem Bereich 18 und dem Bereich 19. Dadurch kann, im Gegensatz zum vorherigen Ausführungsbeispiel, ein Leuchteindruck mit zwei getrennt voneinander wahrnehmbaren Leuchtbereichen über den Bereichen 18 und 19 wahrnehmbar sein.
Ist die zweite Elektrode 2 in den strahlungsemittierenden Bauelementen 5000 und 5001 transparent ausgeführt, so kann mit dieser ein homogener Leuchteindruck der durch das Substrat 5 transmittierten im aktiven Bereiech der Halbleiterschichtenfolge 3 erzeugten elektromagnetischen Strahlung wahrnehmbar sein.
Alternativ zu den Ausführungsbeispielen in den 5A bis 5B kann beispielsweise auch die Dicke einer ersten Abstandsschicht 6 oder einer zusätzlichen niedrigbrechenden Schicht variiert werden.
In den 6A und 6B ist ein strahlungsemittierendes Bauelement 6000 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Dabei ist in 6B eine Draufsicht auf das strahlungsemittierende Bauelement 6000 entgegen der in 1A gezeigten Abstrahlrichtung 100 gezeigt. Der Bereich 19 der ersten Elektrode weist eine größere Dicke auf, so dass der erste Farbstoff in der ersten Farbstoffschicht 4 über dem Bereich 19 elektromagnetische Strahlung mit einer anderen Intensität und/oder einem anderen Farbeindruck abstrahlt als der erste Farbstoff über dem Bereich 18. Wie in 6B gezeigt, kann somit ein informationstragender Leuchteindruck in Form eines beispielhaft gezeigten Piktogramms erreicht werden.
In den 7A und 7B sind weitere strahlungsemittierende Bauelemente gemäß weiteren Ausführungsbeispielen mit jeweils einer lateral strukturierten ersten Farbstoffschicht 4 gezeigt.
Das strahlungsemittierende Bauelement 7000 der 7A weist eine erste Farbstoffschicht 4 mit einem ersten Bereich 41 und einem zweiten Bereich 42 auf. Die Bereiche 41 und 42 weisen dabei unterschiedliche erste Farbstoffe auf, die elektromagnetische Strahlung mit einer unterschiedlichen Intensität und/oder einem unterschiedlichen Farbeindruck abstrahlen können. Dadurch kann jeweils ein strukturierter Leuchteindruck erweckt werden.
Alternativ können die Bereiche 41 und 42 auch unterschiedliche Matrixmaterialien aufweisen, insbesondere Matrixmaterialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Dadurch kann die Oberflächenplasmonen-Dispersionsrelation verschieden sein für Oberflächenplasmonen, die an der Außenoberfläche der ersten Elektrode angrenzend zum Bereich 41 und angrenzend zum Bereich 42 erzeugt werden, so dass der Energietransfer vom aktiven Bereich der Halbleiterschichtenfolge 3 zum ersten Farbstoff im ersten und zweiten Bereich 41, 42 der ersten Farbstoffschicht 4 jeweils unterschiedlich zueinander ist.
Das strahlungsemittierende Bauelement 7001 der 7B weist eine erste Farbstoffschicht 4 mit einem ersten Bereich 41 auf, in dem ein erster Farbstoff 40 eingebettet in einem Matrixmaterial 48 angeordnet ist. In einem zweiten Bereich 42 weist die erste Farbstoffschicht 4 keinen ersten Farbstoff auf, so dass in diesem Bereich keine elektromagnetische Strahlung durch die erste Farbstoffschicht 4 abgestrahlt werden kann.
Je nach Wahl der Transmissionseigenschaften der ersten Elektrode 1 kann in den Bereichen 41 und 42 noch zusätzlich elektromagnetische Strahlung abgestrahlt werden, die im aktiven Beriech der Halbleiterschichtenfolge 3 erzeugt wird.
Die strahlungsemittierenden Bauelement der gezeigten Ausführungsbeispiele können anstelle einer organischen Halbleiterschichtenfolge 3 auch eine anorganische, epitaktisch gewachsene Halbleiterschichtenfolge auf Nitrid- oder Phosphid-Basis aufweisen wie im allgemeinen Teil beschrieben ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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.

Claims

Strahlungsemittierendes Bauelement, umfassend: – eine erste Elektrode (1) und eine zweite Elektrode (2), – eine Halbleiterschichtenfolge (3) zwischen der ersten und zweiten Elektrode (1, 2) mit einem aktiven Bereich (30), der geeignet ist, in einem elektronischen Betrieb elektromagnetische Strahlung abzustrahlen, – eine erste Farbstoffschicht (4) mit einem ersten Farbstoff (40), der auf einer der Halbleiterschichtenfolge (3) abgewandten Hauptoberfläche (15) der ersten Elektrode (1) angeordnet ist, wobei – die erste Elektrode (1) eine Metallschicht (10) aufweist, – durch den elektronischen Betrieb des aktiven Bereichs Oberflächenplasmonen (93) in der ersten Elektrode (1) angeregt werden und – der erste Farbstoff (40) durch Oberflächenplasmonen (94) in der ersten Elektrode (1) zur Abstrahlung von elektromagnetischer Strahlung angeregt wird.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 1, wobei – die Metallschicht (10) Silber, Gold, Aluminium oder eine Kombination oder Legierung daraus aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die erste Elektrode (1) zumindest eine weitere Schicht (11) aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei – die weitere Schicht (11) ein transparentes, elektrisch leitendes Oxid umfasst.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die erste Elektrode (1) nicht transparent ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – ein Oberflächenplasmon (93) in der ersten Elektrode (1) ein evaneszentes elektromagnetisches Feld mit einer ersten charakteristischen Abklinglänge (d1) erzeugt und – die erste Elektrode (1) eine Dicke aufweist, die kleiner oder gleich der ersten charakteristischen Abklinglänge (d1) ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – ein Oberflächenplasmonen (94) in der ersten Farbstoffschicht (4) ein evaneszentes elektromagnetisches Feld mit einer zweiten charakteristischen Abklinglänge (d2) erzeugt und – die erste Farbstoffschicht (4) eine Dicke aufweist, die kleiner oder gleich der zweiten charakteristischen Abklinglänge (d2) ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die erste Farbstoffschicht (4) einen Brechungsindex aufweist, der gleich einem Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (3) ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - zwischen der ersten Elektrode (1) und der ersten Farbstoffschicht (4) eine erste Abstandsschicht (6) angeordnet ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei – die erste Abstandsschicht (6) ein organisches Material aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 9 oder 10, wobei – die erste Abstandsschicht (6) eine Dicke von kleiner oder gleich 10 nm aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – zwischen der ersten Elektrode (1) und der ersten Farbstoffschicht (4) eine zusätzliche niedrigbrechende Schicht (9) angeordnet ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei – die zusätzliche niedrigbrechende Schicht (9) einen Brechungsindex aufweist, der kleiner als ein Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (3) ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 12 oder 13, wobei – die zusätzliche niedrigbrechende Schicht (9) Teflon aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei – die zusätzliche niedrigbrechende Schicht (9) eine Dicke von kleiner oder gleich 10 nm aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die erste Elektrode (1) lateral angeordnete Löcher (16) aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei – die Löcher (16) einen Durchmesser aufweisen, der kleiner oder gleich einer Wellenlänge der im elektronischen Betrieb des aktiven Bereichs (30) erzeugten elektromagnetischen Strahlung ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 16 oder 17, wobei – die Löcher (16) periodisch angeordnet sind und – eine Periodizität von größer oder gleich dem doppelten Durchmesser der Löcher (16) aufweisen.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – zumindest eine Hauptoberfläche (13, 14) der Metallschicht (10) der ersten Elektrode (1) eine Gitterstruktur aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei – die der Halbleiterschichtenfolge (3) abgewandte Hauptoberfläche (14) die Gitterstruktur aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach Anspruch 19 oder 20, wobei – die Gitterstruktur eine Periodizität aufweist, die kleiner oder gleich einer Wellenlänge der im elektronischen Betrieb des aktiven Bereichs (30) erzeugten elektromagnetischen Strahlung ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die erste Metallschicht (10) eine lateral variierende Dicke aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei – die erste Metallschicht (10) eine lateral variierende Anordnung und/oder Größe von Löchern (16) und/oder eine Gitterstruktur aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – der erste Farbstoff (40) ein organisches Material aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – der erste Farbstoff (40) in ein Matrixmaterial (48) eingebettet ist und – das Matrixmaterial (48) zumindest eines aus einer Gruppe umfasst, die gebildet wird durch Polystyrol, Polycarbonat, Polyacryl, Polymethylmethacrylat, Epoxid, Polysiloxan, Polyurethan und Polymere, Copolymere und Mischungen davon.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die Farbstoffschicht (4) auf einer der ersten Elektrode (1) abgewandten Oberfläche eine Oberflächenstruktur (49) aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei – die Oberflächenstruktur (49) zumindest eines von Aufrauungen, Gräben, Prismen, Linsen oder Kegelstümpfen umfasst.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die Farbstoffschicht (4) lateral strukturiert ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die zweite Elektrode (2) transparent ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 28, wobei – die zweite Elektrode (2) zumindest teilweise nicht transparent ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei – die erste und zweite Elektrode (1, 2) einen optischen Resonator bilden.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die zweite Elektrode (2) eine Metallschicht (20) aufweist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei – eine zweite Farbstoffschicht (8) mit einem zweiten Farbstoff (80) auf einer der Halbleiterschichtenfolge (3) abgewandten Oberfläche der zweiten Elektrode (2) angeordnet ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach dem vorherigen Anspruch, wobei – durch den elektronischen Betrieb des aktiven Bereichs (30) Oberflächenplasmonen (93) in der zweiten Elektrode (2) angeregt werden und – der zweite Farbstoff (80) durch Oberflächenplasmonen (94) in der zweiten Elektrode (2) zur Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung angeregt wird.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – das strahlungsemittierende Bauelement im Betrieb beidseitig emittierend ist und – das strahlungsemittierende Bauelement in einem ausgeschalteten Zustand opak ist.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – das strahlungsemittierende Bauelement weiterhin ein Substrat (5) aufweist und – die erste Elektrode (1) und die erste Farbstoffschicht (4) auf einer dem Substrat (5) abgewandten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge (3) angeordnet sind.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 35, wobei – das strahlungsemittierende Bauelement weiterhin ein Substrat (5) aufweist und – die erste Elektrode (1) und die erste Farbstoffschicht (4) auf einer dem Substrat (5) zugewandten Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge (3) angeordnet sind.
Strahlungsemittierendes Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die Halbleiterschichtenfolge (3) eine organische Halbleiterschichtenfolge umfasst.