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Es
wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlung emittierenden
Dünnschichtbauelements angegeben. Darüber hinaus
wird ein Strahlung emittierendes Dünnschichtbauelement
angegeben.
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Optoelektronische
Bauteile wie etwa Leucht- oder Laserdioden haben eine breite technische
Anwendung etwa im Bereich der Beleuchtung gefunden. Einige Gesichtspunkte,
die der Verbreitung solcher Bauteile Vorschub leisten, sind deren
hohe Effizienz und Widerstandsfähigkeit gegen äußere
Belastungen sowie Umwelteinflüsse. Auch weisen optoelektronische
Bauteile eine hohe Lebensdauer auf, die etwa zu einem reduzierten
Wartungsaufwand für ein Leuchtmittel führt, das
ein solches Bauteil aufweist. Die erzielbare Lebensdauer eines optoelektronischen
Bauteils ist maßgeblich auch durch dessen Herstellungsprozess
bestimmt.
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Eine
zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung
eines Strahlung emittierenden Dünnschichtbauelements mit
einer hohen Lebensdauer anzugeben. Eine weitere zu lösende
Aufgabe besteht darin, ein Strahlung emittierendes Dünnschichtbauelement
mit einer hohen Lebensdauer anzugeben.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet dieses
den Schritt des Bereitstellens eines Substrats. Das Substrat weist
bevorzugt eine ebene Substratoberseite auf. Beispielsweise ist das
Substrat mit Silizium oder mit Saphir gestaltet. Ein Durchmesser
des Substrats beträgt bevorzugt mindestens 10 cm, insbesondere
mindestens 20 cm. Das Substrat kann als so genannter Wafer gestaltet
sein.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet dieses
den Schritt des Aufwachsens von Nanostäben auf dem Substrat.
Nanostäbe, englisch Nanorods, sind stab- oder säulenartige
Strukturen, die einen Durchmesser im Nanometerbereich aufweisen.
Der Durchmesser liegt insbesondere im Wertebereich zwischen 10 nm
und 500 nm, bevorzugt zwischen 30 nm und 150 nm. Eine Höhe
beziehungsweise Länge der Nanostäbe, in einer
Richtung senkrecht zur Substratoberseite, beträgt einige
100 nm bis zu einigen Mikrometern. Die Nanostäbe können
einen gleichmäßigen Durchmesser über
deren gesamte Länge aufweisen oder auch Bereiche mit erniedrigtem
oder erhöhtem Durchmesser. Die Nanostäbe können
beispielsweise einen runden, hexagonalen oder polygonen Grundriss
aufweisen. Das Aufwachsen der Nanostäbe auf dem Substrat
erfolgt bevorzugt dergestalt, dass über weite Bereiche,
also über mindestens 75% der Fläche der Substratoberseite,
oder über die gesamte Substratoberseite die Nanostäbe
in einer gleichmäßigen Dichte und gleichmäßigen
Ausgestaltung nach dem Aufwachsen vorhanden sind. Bevorzugt stehen
die Nanostäbe in direktem Kontakt zum Substrat und werden
direkt auf der Substratoberseite aufgewachsen.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses den
Schritt des Aufbringens einer Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichtenfolge
weist mindestens eine aktive Schicht auf, die dazu ausgestaltet
ist, im Betrieb des Dünnschichtbauelements elektromagnetische Strahlung
zu emittieren. Die Halbleiterschichtenfolge basiert bevorzugt auf
Gallium-Nitrid und/oder Gallium-Phosphid und/oder Gallium-Arsenid. ”Basiert” bedeutet
hierbei, dass wesentliche Materialkomponenten Gallium und Stickstoff,
Phosphor beziehungsweise Arsen sind. Insbesondere kann die Halbleiterschichtenfolge
auch weitere Materialien, wie Aluminium und Indium, aufweisen. Die
Halbleiterschichtenfolge kann mehrere Schichten aufweisen, die sich
in einer Materialzusammensetzung und/oder Dotierung unterscheiden
können.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet das Aufbringen
der Halbleiterschichtenfolge ein epitaktisches Aufwachsen. Die Halbleiterschichtenfolge
kann zum Beispiel über Molekularstrahlepitaxie oder Gasphasenepitaxie
aufgewachsen sein.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Aufwachsen
der Halbleiterschichtenfolge auf den Nanostäben. Das heißt,
die Halbleiterschichtenfolge wird auf derjenigen Seite der Nanostäbe
aufgewachsen, die dem Substrat abgewandt ist. Die Halbleiterschichtenfolge
steht bevorzugt in direktem Kontakt zu den Nanostäben.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses den
Schritt des Aufbringens eines Trägers auf einer dem Substrat
abgewandten Hauptseite der Halbleiterschichtenfolge. Der Träger
kann beispielsweise über Bonden an der Halbleiterschichtenfolge
befestigt werden. Der Träger wird beispielsweise nicht
auf der Halbleiterschichtenfolge aufgewachsen, sondern separat gefertigt
und anschließend auf die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht
und mit dieser mechanisch fest verbunden. Der Träger weist
eine ausreichend hohe mechanische Stabilität auf, um die
Halbleiterschichtenfolge zu tragen und vor Schäden zum
Beispiel durch Verbiegen zu schützen.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses den
Schritt des Abtrennens von Halbleiterschichtenfolge und damit verbundenem
Träger vom Substrat. Mit anderen Worten wird die am Träger
befestigte Halbleiterschichtenfolge samt dem Träger vom
Substrat separiert.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Abtrennen
vom Substrat durch mindestens teilweises Zerstören der
Nanostäbe. Durch das Zerstören der Nanostäbe
wird also die mechanische Verbindung zwischen Halbleiterschichtenfolge
und Träger einerseits und dem Substrat andererseits gelöst.
Das Zerstören der Nanostäbe kann auf einem chemischen
und/oder thermischen und/oder mechanischen Prozess basieren.
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In
mindestens einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung
eines Strahlung emittierenden Dünnschichtbauelements weist
dieses folgende Schritte auf:
- – Bereitstellen
eines Substrats,
- – Aufwachsen von Nanostäben auf dem Substrat,
- – epitaktisches Aufwachsen einer Halbleiterschichtenfolge
mit mindestens einer aktiven Schicht auf den Nanostäben,
- – Aufbringen eines Trägers auf der Halbleiterschichtenfolge,
und
- – Abtrennen von Halbleiterschichtenfolge und Träger
vom Substrat durch mindestens teilweises Zerstören der
Nanostäbe.
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Durch
ein solches Herstellungsverfahren können mechanische Verspannungen
und Risse in der Halbleiterschichtenfolge, die durch das Aufwachsen
resultieren, reduziert werden. Hierdurch erhöht sich die
Lebensdauer eines über ein solches Verfahren hergestelltes
Bauteils.
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Eine
Möglichkeit, optoelektronische Bauelemente herzustellen
beziehungsweise aufzuwachsen, besteht in epitaktischen Verfahren.
Eine Halbleiterschichtenfolge wird zum Beispiel aus der Gasphase auf
einem Substrat abgeschieden beziehungsweise auf dem Substrat aufgewachsen.
Zum Aufwachsen ist es erforderlich, dass die Gitterstruktur von
Substrat und aufzuwachsendem Material zueinander passend gestaltet
ist, insbesondere die Gitterkonstanten nicht zu stark voneinander
abweichen. Ist dies nicht der Fall, so treten mechanische Verspannungen
im aufgewachsenen Material der Halbleiterschichtenfolge auf. Insbesondere
können diese Verspannungen beispielsweise zu einer Rissbildung
in der Halbleiterschichtenfolge führen, die einen Einsatz
der Halbleiterschichtenfolge für ein optoelektronisches
Bauelement verhindern beziehungsweise die Lebensdauer eines solchen
Bauelements deutlich reduzieren kann.
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Zudem
treten bei der Epitaxie vergleichsweise hohe Temperaturen von mehreren
100 Grad Celsius bis zu über 1000 Grad Celsius auf. Durch
diese hohen Temperaturen und die insbesondere damit verbundenen
Temperaturunterschiede, beispielsweise bedingt durch ein Abkühlen
von Substrat und Halbleiterschichtenfolge nach dem epitaktischen
Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge, können signifikante
thermische Verspannungen entstehen, die beim Abkühlen zu
einer Zerstörung oder Destabilisierung der Halbleiterschichtenfolge
führen können. Somit sind Halbleiterschichtenfolge
und Substrat bezüglich Gitterstruktur der Materialien und
der thermischen Ausdehnungskoeffizienten bevorzugt aneinander anzupassen.
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Im
grünen, blauen oder im ultravioletten Spektralbereich emittierende
Halbleiterchips basieren insbesondere auf GaN und/oder AlInGaN.
Für solche Halbleitermaterialien sind Aufwachssubstrate, die
eine geeignete Gitterstruktur und geeignete thermische Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen, nur schwer in ausreichender Qualität und Größe
sowie Stückzahl verfügbar. Hierdurch erhöhen
sich einerseits die Kosten für solche Halbleiterchips.
Andererseits, wie beschrieben, kann sich aufgrund potentieller thermischer
Verspannungen und Rissbildung die Lebensdauer eines auf einem solchen
Substrat aufgewachsenen Halbleiterchips reduzieren.
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Eine
Möglichkeit, eine Anpassung von thermischen Ausdehnungskoeffizienten
an Gitterstruktur von Substrat und Halbleiterschichtenfolge aneinander
zu gewährleisten, ist die Verwendung von flächigen
Pufferschichten. Solche Verfahren sind in der Druckschrift
DE 100 56 645 A1 und
in der Druckschrift
DE
10 2004 038 573 A1 beschrieben. Auch in dem Artikel von
Nakamura,
Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 30, No. 10A, Oktober 1991,
Seiten L1705 bis L1707, ist ein derartiges Verfahren offenbart.
Da in den angegebenen Dokumenten durchgehende Schichten beschrieben
sind, treten zwar reduzierte, aber immer noch deutliche thermische
Verspannungen und/oder Gitterfehlanpassungen auf. Hierdurch kann
eine Ausbeute der Bauteile reduziert und eine Lebensdauer der Bauteile
vermindert sein.
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Einem
hier beschriebenen Verfahren liegt unter anderem folgende Erkenntnis
zugrunde: Nanostäbe weisen eine im Vergleich zum Durchmesser große
Länge auf. Außerdem bedecken auf einem Substrat
aufgebrachte Nanostäbe nur einen relativ geringen Anteil
der Fläche. Das bedeutet, die Nanostäbe bilden
eine mechanisch vergleichsweise flexibel gestaltete säulenartig
aufgebaute Schicht. Da die Nanostäbe insbesondere nicht
dicht gepackt vorliegen, können die Nanostäbe
sich verbiegen und somit thermische Verspannungen aufgrund einer
Gitterfehlanpassung auch über größere
Flächen hinweg ausgleichen. Um auf den Nanostäben
eine Halbleiterschichtenfolge insbesondere epitaktisch aufzuwachsen,
weisen die Nanostäbe an einer dem Substrat abgewandten
Seite bevorzugt eine Verbreiterung beziehungsweise Vergrößerung
des Durchmessers auf, so dass sich zum Beispiel eine durchgehende Fläche
ergibt. Ein Aufwachsen von Nanostäben auf einem Substrat
ist in den Artikeln
Kikuchi et al., Japanese Journal of
Applied Physics, Vol. 43, No. 12A, 2004, Seiten L1524 bis L1526,
und
"Making ZnO nanorods the cool way",
MaterialsToday, April 2005, Seite 13, und
Liu et
al., Journal of Applied Physics, Vol. 95, No. 6, Seiten 3141 bis
3147, beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Artikel
bezüglich dem Aufwachsen der Nanostäbe wird hiermit
durch Rückbezug mit aufgenommen.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Schritt
des Aufwachsens der Nanostäbe das Ausbilden von Nukleationskeimen
auf dem Substrat. Die Nanostäbe wachsen dann, von den Nukleationskeimen
ausgehend, in einer Richtung senkrecht zur Substratoberseite weiter. Die
Bildung der Nukleationskeime kann selbstorganisiert erfolgen. Das
heißt, die Materialien von Substrat und Nanostäben
weisen unterschiedliche Gitterkonstanten auf. Durch diese Gitterfehlanpassung
entstehen Inseln des Materials der Nanostäbe auf der Substratoberseite,
die die Nukleationskeime bilden. Alternativ oder zusätzlich
können die Nukleationskeime nasschemisch erzeugt sein.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Nukleationskeime über
einen photolithographischen Prozess mit Hilfe einer Maske oder über
ein Nano-Imprint-Verfahren zu bilden. Weiterhin können
die Nukleationskeime durch das Aufheizen einer Metallschicht, zum
Beispiel mit Gold, gebildet werden. Durch das Aufheizen der Metallschicht
bilden sich Inseln aus. Über das Ausbilden von Nukleationskeimen
lassen sich die Nanostäbe effizient aufwachsen.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das zumindest
teilweise Zerstören der Nanostäbe beim Abtrennen
der Halbleiterschichtenfolge vom Substrat durch einen Prozess, der
ein nass-chemischen Ätzen beinhaltet. Beispielsweise wird
durch die Zwischenräume zwischen den Nanostäben
eine ätzende Flüssigkeit geleitet. Diese ätzende
Flüssigkeit löst die Nanostäbe, mindestens teilweise,
auf. Hierdurch wird die mechanische Verbindung zwischen Substrat
und Halbleiterschichtenfolge aufgelöst, so dass Halbleiterschichtenfolge
und Träger effizient und ohne mechanische Belastungen der
Halbleiterschichtenfolge voneinander separierbar sind.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens weisen die Nanostäbe
Oberteile auf, die sich an vom Substrat abgewandten Bereiche der Nanostäbe
befinden und kegel- oder pyramidenartig gestaltet sind. Zudem weisen
die Nanostäbe an einem Unterteil, der dem Substrat zugewandt
ist, eine zum Beispiel zylinder- oder prismenartige Gestalt auf.
Eine spitzenartige Struktur der kegel- oder pyramidenartigen Oberteile
weist hierbei in Richtung zum Substrat und bildet einen Übergangsbereich
zwischen Oberteilen und Unterteilen.
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Die
Oberteile der Nanostäbe verjüngen sich also in
Richtung zum Substrat hin. Mit anderen Worten sind die Nanostäbe
trichterartig gestaltet, und eine Spitze des Trichters weist zum
Substrat. Derart gestaltete Nanostäbe ermöglichen
ein effizientes Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge und gleichzeitig
eine hohe dämpfende Wirkung der Nanostäbe gegenüber
auftretenden thermischen und/oder strukturell bedingten Verspannungen
beim Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Nanostäbe
frei von einer aktiven Zone gewachsen. Das heißt, die Nanostäbe weisen
keinen Bereich auf, der dazu gestaltet ist, elektromagnetische Strahlung
zu emittieren, zu empfangen oder zu konvertieren. Die Nanostäbe
bilden in diesem Sinne kein funktionelles Element des Strahlung
emittierenden Dünnschichtbauelements, das mit einem solchen
Verfahren hergestellt wird. Sind die Nanostäbe frei von
einer aktiven Zone, so erfolgt das Aufwachsen der Nanostäbe
auf dem Substrat mit geringem Aufwand. Hierdurch ist ein großflächiges
Aufwachsen der Nanostäbe auf dem Substrat ermöglicht.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens sind die Nanostäbe
in einem regelmäßigen Gitter angeordnet. Das bedeutet,
der überwiegende Anteil der Nanostäbe, insbesondere
mehr als 80 Prozent, befindet sich an Gitterpunkten des Gitters.
Das Gitter ist etwa hexagonal, quadratisch oder rautenförmig
gestaltet. Sind die Nanostäbe in einem regelmäßigen
Gitter angeordnet, so bilden die Nanostäbe für
die Halbleiterschichtenfolge eine Aufwachsfläche einer
hohen Qualität.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt ein
mittlerer Gitterabstand des Gitters höchstens 1000 nm,
bevorzugt höchstens 400 nm. Der mittlere Gitterabstand
ist also insbesondere kleiner als eine Wellenlänge einer
von der aktiven Schicht im Betrieb des Dünnschichtbauelements zu
emittierenden elektromagnetischen Strahlung. Hierdurch lassen sich
die optischen Eigenschaften des Dünnschichtbauelements
gezielt beeinflussen.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt ein
mittlerer Durchmesser der Nanostäbe höchstens
eine halbe Wellenlänge, bevorzugt höchstens eine
viertel Wellenlänge der von der aktiven Schicht im Betrieb
emittierten höchstfrequenten Strahlung. Unter dem mittleren
Durchmesser der Nanostäbe ist der über die gesamte
Länge der Nanostäbe gemittelte Durchmesser zu
verstehen. Weisen die Nanostäbe beispielsweise ein zylinderartiges
Unterteil und ein kegelartiges Oberteil auf, so ist über
Oberteil und Unterteil bezüglich des Durchmessers zu mitteln.
Emittiert die mindestens eine aktive Schicht der Halbleiterschichtenfolge
beispielsweise Strahlung im blauen Spektralbereich, und beträgt
eine kleinste, von der aktiven Schicht emittierte Wellenlänge
430 nm, so ist der mittlere Durchmesser kleiner als 215 nm, bevorzugt
kleiner als 107 nm. Bevorzugt sind, im Rahmen der Herstellungstoleranzen,
mindestens die Hälfte, insbesondere mindestens 75% der
Nanostäbe mit einem solchen mittleren Durchmesser gestaltet.
Durch derartige Nanostäbe lassen sich die optischen Eigenschaften
des Dünnschichtbauelements gezielt einstellen.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt eine
Länge der Nanostäbe in einer Richtung senkrecht
zur Substratoberseite mindestens 500 nm. Durch eine solche Länge der
Nanostäbe ist gewährleistet, dass diese eine ausreichend hohe
Flexibilität aufweisen, um mechanisch und/oder strukturell
bedingte Verspannungen aufgrund einer Gitterfehlanpassung zwischen
Substrat und Halbleiterschichtenfolge ausgleichen zu können.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens sind Halbleiterschichtenfolge
und Nanostäbe mit einem unterschiedlichen Material gestaltet.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens sind Nanostäbe
und Substrat mit verschiedenen Materialien gestaltet. Hierdurch
erhöhen sich die Ausgestaltungsmöglichkeiten des
Dünnschichtbauelements. Zudem kann die Struktur der Nanostäbe,
je nach den konkreten Anforderungen, gezielt eingestellt werden.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens sind Nanostäbe
und Halbleiterschichtenfolge auf dem selben Materialsystem basierend gestaltet.
Insbesondere basieren sowohl Nanostäbe als auch Halbleiterschichtenfolge
auf GaN, AlGaN, InGaN oder AlInGaN, so dass Dünnschichtbauelemente
mit einer Emission im blauen Spektralbereich realisierbar sind.
Durch solche Nanostäbe ist gewährleistet, dass
beim Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge auf den Nanostäben
besonders geringe mechanische Verspannungen aufgrund einer Gitterfehlanpassung
auftreten.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens verbleiben beim Abtrennen
von der Halbleiterschichtenfolge vom Substrat die Oberteile der
Nanostäbe mindestens teilweise an der Halbleiterschichtenfolge.
Hierdurch kann durch die kegel- oder pyramidenartig gestalteten
Oberteile eine Lichtauskoppelstruktur an der Halbleiterschichtenfolge
gestaltet werden.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Oberteile
der Nanostäbe, die beispielsweise beim Abtrennen an der
Halbleiterschichtenfolge verbleiben, nachfolgend entfernt. Dies kann über
Polieren erfolgen. Hierdurch lassen sich Dünnschichtbauelemente
realisieren, die an einem weiteren, externen Träger effizient
angebracht werden können.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens sind die Nanostäbe
mit einem amorphen oder polykristallinen Material gebildet. Das heißt,
die Nanostäbe bestehen nicht aus einem Einkristall. Hierdurch
erhöhen sich die Gestaltungsmöglichkeiten der
Nanostäbe bezüglich Materialauswahl und Prozessparametern
beim Aufwachsen der Nanostäbe. Auch die elektrischen Eigenschaften
der Nanostäbe, wie deren Leitfähigkeit, lassen
sich hierüber beeinflussen.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens wird durch die Nanostäbe
mindestens ein photonischer Kristall gebildet. Unter einem photonischen
Kristall wird eine periodische Struktur verstanden, die dazu geeignet
ist, über Beugung und/oder Interferenz die optischen Eigenschaften
der vom Dünnschichtbauelement emittierten Strahlung zu
beeinflussen. Beispielsweise können die Nanostäbe
beziehungsweise die Oberteile der Nanostäbe auf der Halbleiterschichtenfolge
verbleiben. Durch den Gitterabstand der Nanostäbe lässt
sich dann etwa ein Interferenzfilter realisieren, so dass Strahlung
einer vorgegebenen Wellenlänge beispielsweise nur in bestimmten
Winkelbereichen das Dünnschichtbauelement nachfolgend verlassen
kann. Durch eine Ausgestaltung der Nanostäbe als photonischer
Kristall erhöhen sich die Einsatzmöglichkeiten
des Dünnschichtbauelements.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Halbleiterschichtenfolge
mit einer Dicke von höchstens 100 µm, insbesondere von
höchstens 50 µm, bevorzugt von höchstens
20 µm aufgewachsen. Hierdurch lassen sich besonders dünne
Dünnschichtbauelemente realisieren.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens weist das damit hergestellte
Dünnschichtbauelement eine Dicke von höchstens
500 µm, bevorzugt von höchstens 170 µm,
besonders bevorzugt von höchstens 75 µm, insbesondere
von höchstens 40 µm auf. Alternativ oder zusätzlich
ist der Quotient aus einer mittleren lateralen Ausdehnung und einer
Dicke des Dünnschichtbauelements größer
oder gleich 5, bevorzugt größer oder gleich 10,
insbesondere größer oder gleich 20.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens weist die insbesondere
epitaktisch aufgewachsene Halbleiterschichtenfolge des mit dem Verfahren
hergestellten Dünnschichtbauelements eine Dicke von höchstens
20 µm, bevorzugt von höchstens 8 µm auf.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens bilden die Nanostäbe
an einer dem Substrat abgewandten Seite der Oberteile eine geschlossene
Schicht. Hierdurch ist ein Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge
auf den Nanostäben erleichtert.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens ist eine Länge
der Oberteile der Nanostäbe, in einer Richtung senkrecht
zur Substratoberseite, kleiner als eine Länge der Unterteile
der Nanostäbe. Die Unterteile können eine Länge
aufweisen, die kleiner ist als ein Viertel der Länge der
Oberteile. Ebenso können die Nanostäbe ausschließlich kegel-
oder pyramidenartige Oberteile aufweisen. Durch eine solche Ausgestaltung
der Nanostäbe verkürzt sich die für das
Wachsen der Nanostäbe erforderliche Zeit.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens weisen die Nanostäbe
eine Länge im Bereich zwischen 500 nm und 1,5 µm
auf. Hierdurch weisen die Nanostäbe eine ausreichende Flexibilität und
gleichzeitig eine ausreichende Festigkeit auf, um als Wachstumsgrundlage
für die Halbleiterschichtenfolge eingesetzt werden zu können.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Substrat
beim Abtrennen von Halbleiterschichtenfolge und Träger
nicht beschädigt. Das heißt, das Abtrennen erfolgt
für das Substrat zerstörungsfrei. Hierdurch ist
es ermöglicht, dass das Substrat mehrfach zum Aufwachsen
einer Halbleiterschichtenfolge verwendet werden kann. Hierdurch
reduzieren sich die Kosten für das Verfahren.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens basieren die Nanostäbe
auf ZnO oder auf GaN. Solche Nanostäbe lassen sich effizient
herstellen und die Ausgestaltung der Nanostäbe kann über
die Prozessparameter beim Aufwachsen über einen weiten
Bereich gezielt eingestellt werden.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens ist das Substrat mit
Silizium gestaltet und die Nanostäbe selbstorganisierend
aufgebracht. Nanostäbe und Halbleiterschichtenfolge basieren
auf Gallium-Nitrid und die Nanostäbe weisen eine Länge im
Bereich zwischen 500 nm und 1,5 µm und einen Durchmesser
im Bereich zwischen 30 nm und 150 nm auf. Die Nanostäbe
sind frei von einer aktiven Zone. Das Abtrennen der Halbleiterschichtenfolge
vom Substrat erfolgt nass-chemisch und das Substrat wird hierdurch
nicht beschädigt. Durch ein solches Verfahren hergestellte
Dünnschichtbauelemente weisen eine hohe Lebensdauer auf.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens, bei dem das Substrat
mit Saphir oder Silizium gebildet ist, sind die Nanostäbe
mit ZnO oder GaN gestaltet und über einen selbstorganisierenden Prozess
aufgewachsen. Ebenso ist es möglich, dass die Nanostäbe über
einen photolithographischen Verfahrensschritt aufgebracht werden.
Die Halbleiterschichtenfolge weist eine Dicke von höchstens
100 µm, bevorzugt von höchstens 20 µm
auf und basiert auf Gallium-Nitrid. Die Oberteile der Nanostäbe
werden kegel- oder pyramidenförmig gewachsen, wobei die
Oberteile eine spitzenartige Struktur aufweisen, wobei diese spitzenartige
Struktur in Richtung zum Substrat weist. Weiterhin verbleibt nach
dem Abtrennen der Halbleiterschichtenfolge vom Substrat zumindest
ein Teil der Oberteile der Nanostäbe an der Halbleiterschichtenfolge.
Hierdurch wird eine Lichtauskoppelstruktur gebildet. Ein über
ein solches Verfahren hergestelltes Dünnschichtbauelement weist
eine hohe Lichtauskoppeleffizienz auf.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgen die Schritte
Aufwachsen von Nanostäben und Halbleiterschichtenfolgen,
Aufbringen des Trägers und Ablösen vom Substrat
im Wafer-Verbund. Beispielsweise eine Separierung in einzelne Dünnschichtbauelemente
erfolgt erst nach dem Abtrennen vom Substrat. Durch ein solches
Verfahren wird die Handhabung der Halbleiterschichtenfolge und dem Träger
vereinfacht. Hierdurch senken sich die mechanischen Belastungen
für die Halbleiterschichtenfolge im Rahmen der Herstellung.
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Es
wird darüber hinaus ein Strahlung emittierendes Dünnschichtbauelement
angegeben. Beispielsweise kann das Dünnschichtbauelement
mittels einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen
eines Verfahrens hergestellt sein und entsprechend Merkmale, die
mit einer solchen Ausführungsform des Verfahrens verbunden
sind, aufweisen.
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In
mindestens einer Ausführungsform des Strahlung emittierenden
Dünnschichtbauelements umfasst dieses einen Träger.
Weiterhin umfasst das Dünnschichtbauelement eine Halbleiterschichtenfolge
mit mindestens einer aktiven Schicht, die dazu gestaltet ist, elektromagnetische
Strahlung im Betrieb des Dünnschichtbauelements zu emittieren.
Die Halbleiterschichtenfolge ist auf dem Träger aufgebracht.
Zudem weist das Dünnschichtbauelement eine Lichtauskoppelstruktur
auf, die mit Nanostäben gebildet ist und sich an einer
dem Träger abgewandten Hauptseite der Halbleiterschichtenfolge
befindet. Der Träger ist hierbei kein Wachstumssubstrat
für die Halbleiterschichtenfolge, sondern nachträglich
nach dem Wachsen der Halbleiterschichtenfolge auf dieser aufgebracht.
Weiterhin sind die die Lichtauskoppelstruktur bildenden Nanostäbe
kegel- oder pyramidenartig gestaltet, wobei spitzenartige Strukturen
der Nanostäbe von der Halbleiterschichtenfolge weg weisen,
und an einer dem Träger abgewandten Hauptseite der Halbleiterschichtenfolge
durch die Nanostäbe eine geschlossene Schicht gebildet
ist.
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Gemäß zumindest
einer Ausführungsform des Dünnschichtbauelements
ist dieses als Leuchtdiode gestaltet. Hierdurch kann das Dünnschichtbauelement
vielfältig eingesetzt werden.
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Einige
Anwendungsbereiche, in denen ein hier beschriebenes Dünnschichtbauelement
Verwendung finden kann, sind etwa die Hinterleuchtung von Displays
oder Anzeigeeinrichtungen. Weiterhin kann ein hier beschriebenes
Dünnschichtbauelement etwa in Beleuchtungseinrichtungen
zu Projektionszwecken, in Scheinwerfern oder Lichtstrahlern oder
bei der Allgemeinbeleuchtung eingesetzt werden.
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Nachfolgend
wird ein hier beschriebenes Verfahren sowie ein hier beschriebenes
Dünnschichtbauelement unter Bezugnahme auf die Zeichnung
anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen
Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen
Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente
zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt
sein.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung verschiedener Verfahrensschritte der Herstellung
eines hier beschriebenen Dünnschichtbauelements,
-
2 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels hier
beschriebener Nanostäbe, und
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3 schematische
Draufsichten von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen
Nanostäben.
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In 1 ist
eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines
Dünnschichtbauelements 1 illustriert.
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1A zeigt auf einer Substratoberseite 10 eines
Substrats 2 aufgewachsene Nanostäbe 3.
Das Substrat 2 ist ein Siliziumwafer. Durch die Nanostäbe 3 ist
das Substrat 2 großflächig bedeckt. Die
Nanostäbe 3 weisen jeweils ein Unterteil 12 und
ein Oberteil 7 auf. Das Unterteil 12 ist zylinder-
und/oder säulenartig gestaltet. Das Oberteil 7 umfasst
eine spitzenartige Struktur 13, die den Übergang
zwischen Unterteil 12 und Oberteil 7 bildet. Die
spitzenartige Struktur 13 weist in Richtung Substrat 2.
Die Oberteile 7 sind kegel- oder pyramidenartig gestaltet.
An einer dem Substrat 2 abgewandten Seite der Oberteile 7 ist
eine geschlossene Schicht 9 mit einem Material der Nanostäbe 3 gebildet.
Die Nanostäbe 3 sind über einen selbstorganisierten
Prozess auf dem Substrat 2 aufgewachsen.
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Ein
mittlerer Gitterabstand G zwischen den Nanostäben beträgt
zirka 300 nm. Ein mittlerer Durchmesser D beträgt zirka
100 nm. Der mittlere Durchmesser D bezieht sich auf eine gesamte
Länge L der Nanostäbe 3 in einer Richtung
senkrecht zur Substratoberseite 10. Für den mittleren
Durchmesser D sind also die Unterteile 12 und die Oberteile 7 zu berücksichtigen.
Die Länge L der Nanostäbe 3 beträgt
ca. 1 µm.
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Das
Aufbringen einer Halbleiterschichtenfolge 4 auf die geschlossene
Schicht 9 ist in 1B dargestellt.
Die Halbleiterschichtenfolge 4 wird epitaktisch auf die geschlossene
Schicht 9 aufgewachsen. Die Halbleiterschichtenfolge 4 umfasst
eine aktive Schicht 5, die dazu gestaltet ist, im Betrieb
des Dünnschichtbauelements 1 elektromagnetische Strahlung
zu emittieren. Die Halbleiterschichtenfolge 4 basiert,
wie auch die Nanostäbe 3, auf GaN. Die Halbleiterschichtenfolge 4 weist
eine dem Substrat 2 abgewandte Hauptseite 8 auf.
Eine Dicke T der Halbleiterschichtenfolge 4 beträgt
zirka 12 µm.
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In
einem nachfolgenden Verfahrensschritt, siehe 1C,
wird auf die Hauptseite 8 der Halbleiterschichtenfolge 4 ein
Träger 6 aufgebracht. Der Träger 6 wird
an der Halbleiterschichtenfolge 4 beispielsweise über
Bonden befestigt. Alternativ kann der Träger 6 auf
der Halbleiterschichtenfolge 4 aufgeklebt oder, etwa über
eine auf der Halbleiterschichtenfolge 4 und auf dem Träger 6 aufgebrachten
nicht gezeichneten Au:Sn-Legierung, aufgelötet werden. Optional
ist es möglich, dass zwischen dem Träger 6 und
der Halbleiterschichtenfolge 4 eine nicht gezeichnete Zwischenschicht
aufgebracht wird, die zum Beispiel reflektierend gestaltet ist.
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Der
Träger 6 kann aus dem gleichen Material wie das
Substrat 2 bestehen. Bevorzugt ist der Träger 6 elektrisch
leitend. Zum Beispiel weist der Träger 6 Silizium,
Germanium oder ein Metall auf. Ebenso ist es möglich, dass
der Träger 6 eine Keramik wie Al2O3 umfasst, wobei auf der Keramik elektrisch
leitfähige Strukturen aufgebracht sein können.
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In 1D ist gezeigt, dass Halbleiterschichtenfolge 4 und
Träger 6 vom Substrat 2 über
einen nass-chemischen Prozess separiert werden. Ein flüssiges Ätzmittel 11 wird
zwischen Substrat 2 und Halbleiterschichtenfolge 4 im
Bereich der Nanostäben 3 verwendet. Das Ätzmittel 11 trägt
das Material, mit dem die Nanostäbe 3 gestaltet
sind, teilweise ab. Hierdurch werden insbesondere die Unterteile 12 der Nanostäbe 3 aufgelöst
beziehungsweise zerstört. Durch dieses Zerstören
der Unterteile 12 löst sich die mit dem Träger 6 verbundene
Halbleiterschichtenfolge 4 vom Substrat 2. Dies
ist in 1E zu sehen. Beim Ablösen
ist also kein Laser-Abhebeverfahren, englisch Laser Lift Off, erforderlich.
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Optional
können, siehe 1F, beispielsweise über
Polieren die an der Halbleiterschichtenfolge 4 verbleibenden
Oberteile 7 der Nanostäbe 3 abgetragen
werden. Hierdurch resultiert ein Dünnschichtbauelement 1,
beispielsweise in Form einer Leuchtdiode, mit einer dem Träger 6 abgewandten ebenen
Lichtdurchtrittsfläche 15 der Halbleiterschichtenfolge 4.
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Ein
Ausführungsbeispiel einer bevorzugten Ausführungsform
des Dünnschichtbauelements 1 ist in 1E gezeigt. Durch die Oberteile 7 der
Nanostäbe 3 ist eine Lichtauskoppelstruktur 14 gebildet. Die
Periodizität der Lichtauskoppelstruktur 14 entspricht
dem Gitterabstand G der Nanostäbe 3, siehe 1A. Der Gitterabstand G ist kleiner als
eine Wellenlänge einer von der aktiven Schicht 5 im
Betrieb des Dünnschichtbauelements 1 erzeugten
Strahlung. Die geschlossene Schicht 9 verbleibt an der
dem Träger 6 abgewandten Seite der Halbleiterschichtenfolge 4.
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Die
Lichtauskoppelstruktur 14 wird also beim Abtrennen von
Halbleiterschichtenfolge 4 und Träger 6 vom
Substrat 2 erzeugt. Eine weitere Möglichkeit, eine
Aufrauung für eine verbesserte Lichtauskopplung zu erzielen,
besteht durch einen mechanischen Prozess. Allerdings sind hierdurch
nur unregelmäßige Strukturen erzielbar, deren
genaue Abmessungen nur schwer zu kontrollieren sind. Insbesondere
die Flankenwinkel einer solchen Aufrauung können eine große
Streuung aufweisen und somit die Lichtauskoppeleffizienz beeinträchtigen.
Auch durch nass-chemisches Ätzen unter Ausnutzung von Rauhigkeiten
aufgrund von Kristalldefekten oder Störungen der Kristalloberfläche
der Halbleiterschichtenfolge 4 erzeugte Aufrauungen lassen
sich nur bedingt reproduzierbar herstellen. Zudem wird durch ein nass-chemisches
Aufrauen der Halbleiterschichtenfolge 4 eine erhebliche
Menge an Material, mehr als die Tiefe der Aufrauung, abgetragen,
um eine für eine hohe Lichtauskopplung ausreichende Aufrauung
zu erzielen. Hierdurch sind höhere Schichtdicken der Halbleiterschichtenfolge 4 zu
fertigen, was in einer verstärkten Rissbildung und somit
reduzierten Lebensdauer beziehungsweise Ausbeute der Bauteile resultieren
kann. Beim hier beschriebenen Verfahren muss im Gegensatz dazu nur
eine geringe Materialmenge, die im Wesentlichen durch die Unterteile 12 der
Nanostäbe 3 gebildet wird, nass-chemisch entfernt
werden. Die Oberteile 7 der Nanostäbe 3 bleiben
bezüglich ihrer Struktur vom Ätzmittel 11 weitgehend
unbeeinflusst.
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Es
ist auch möglich, eine Aufrauung zur Steigerung der Lichtauskopplung über
photolithographische Prozesse zu erzielen. Allerdings ist hierdurch nicht
die gesamte Fläche zugänglich, da mit Photolack
bedeckte Bereiche nicht aufgeraut werden können. Es verbleiben
also an der Lichtdurchtrittsfläche 15 bei einem
solchen Prozess Bereiche, die zur Hauptseite 9 der Halbleiterschichtenfolge 4 parallel ausgerichtet
sind. In solchen Bereichen ist die Lichtauskoppeleffizienz vermindert.
Durch ein hier beschriebenes Verfahren kann dies umgangen werden,
die gesamte, dem Träger 6 abgewandte Fläche der Halbleiterschichtenfolge 4 kann
mit der Lichtauskoppelstruktur 14 versehen werden.
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In 2 ist
eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Nanostäbe 3 dargestellt.
Das Unterteil 12 der Nanostäbe 3 ist
hierbei nicht mehr vorhanden. Die Oberteile 7 sitzen also
mit der spitzenartigen Struktur 13 auf dem Substrat 2 auf
und bilden die Nanostäbe 3 ausschließlich.
Die Nanostäbe 3 sind mit ZnO oder GaN gestaltet.
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In 3 ist
eine schematische Draufsicht auf die Nanostäbe 3 dargestellt.
Aus Gründen der graphischen Darstellung ist ein Schnitt
durch die Nanostäbe im Bereich der Unterteile 12 gezeichnet,
so dass die Oberteile 7 die Unterteile 12 nicht überdecken.
Die gezeigten Draufsichten können beispielsweise beim Ausführungsbeispiel
gemäß 1 realisiert sein.
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Gemäß 3A weisen die Nanostäbe 3 einen
hexagonalen Grundriss auf. Die Nanostäbe 3 sind
zudem in einem hexagonalen Gitter, symbolisiert durch eine Strichlinie,
angeordnet, das einen mittleren Gitterabstand G von zirka 300 nm
aufweist.
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Gemäß 3B und 3C weisen
die Nanostäbe 3 eine quadratische Gitterstruktur
auf, symbolisiert durch Strichlinien. Gemäß 3C bedecken die Unterteile 12 der
Nanostäbe 3 nur einen geringeren Anteil der Substratoberseite 10.
Bedingt hierdurch ist der mittlere Gitterabstand G in 3C größer als in 3B.
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Beim
Ausführungsbeispiel gemäß 3D weisen die Nanostäbe 3,
wie auch gemäß 3C, einen
kreisförmigen Grundriss auf. Die Nanostäbe 3 sind
in einem rautenartigen Gitter angeordnet.
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Optional
können Teile der Unterteile 12 beim Abtrennen
der Halbleiterschichtenfolge 4 vom Substrat 2 an
der Halbleiterschichtenfolge 4 beziehungsweise an den Oberteilen 7 verbleiben.
Der mittlere Gitterabstand G ist hierbei bevorzugt kleiner als eine kürzeste
Wellenlänge einer Strahlung, die von der mindestens einen
aktiven Schicht 5 im Betrieb des Dünnschichtbauelements 1 erzeugt
wird. Hierdurch kann von den Oberteilen 7 und/oder von
an der Halbleiterschichtenfolge 4 verbleibenden Unterteilen 12 ein
photonischer Kristall gebildet sein, der zum Beispiel über
Interferenz oder Beugung Strahlung bestimmter Wellenlängen
nur in bestimmten Richtungen transmittiert.
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Die
Nanostäbe 3 können auf der Substratoberseite 10 über
einen selbstorganisierten Prozess, über lithographische
Methoden oder über ein Nano-Imprint-Verfahren aufgebracht
werden. Bevorzugt erfolgt das Aufbringen der Nanostäbe 3 geordnet.
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Die
hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand
der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr
umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede neue 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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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10056645
A1 [0017]
- - DE 102004038573 A1 [0017]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Nakamura,
Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 30, No. 10A, Oktober 1991,
Seiten L1705 bis L1707 [0017]
- - Kikuchi et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol.
43, No. 12A, 2004, Seiten L1524 bis L1526 [0018]
- - ”Making ZnO nanorods the cool way”, MaterialsToday,
April 2005, Seite 13 [0018]
- - Liu et al., Journal of Applied Physics, Vol. 95, No. 6, Seiten
3141 bis 3147 [0018]