DE102009057780A1

DE102009057780A1 - Optoelektronisches Halbleiterbauteil und photonischer Kristall

Info

Publication number: DE102009057780A1
Application number: DE102009057780A
Authority: DE
Inventors: Krister Bergenek; Christopher Wiesmann; Thomas F. Prof. Krauss
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH; University of St Andrews
Current assignee: Ams Osram International GmbH; University of St Andrews
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2011-06-16
Also published as: KR20120118005A; US20120261642A1; US8963120B2; WO2011069747A1

Abstract

In mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils (1) beinhaltet dieses wenigstens eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit mindestens einer aktiven Schicht (3) sowie zumindest einen photonischen Kristall (4) zur Einkopplung oder zur Auskopplung einer von der mindestens einen aktiven Schicht (3) zu erzeugenden oder zu empfangenden Strahlung aus der oder in die Halbleiterschichtenfolge (2). Die Strahlung weist eine Scheitelwellenlänge (λ0) auf. Der photonische Kristall (4) ist von der aktiven Schicht (3) beabstandet und durch eine Überlagerung von mindestens zwei Gittern (41, 42) mit voneinander verschiedenen, auf die Scheitelwellenlänge (λ0) normierten, reziproken Gitterkonstanten gebildet.

Description

Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben. Darüber hinaus wird ein photonischer Kristall angegeben.
In der Druckschrift Applied Physics Letters, Ausgabe 79, Nummer 26, Seiten 4280 bis 4282, Dezember 2001, ist eine Lichtquelle angegeben, die gerichtete Strahlung emittiert und die einen zweidimensionalen photonischen Kristall beinhaltet.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauteil anzugeben, das mit hoher Effizienz Strahlung in einen bestimmten Raumwinkelbereich emittiert. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, einen photonischen Kristall zu einer Strahlungseinkopplung oder zu einer Strahlungsauskopplung anzugeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils beinhaltet dieses eine Halbleiterschichtenfolge mit wenigstens einer aktiven Schicht. Die mindestens eine aktive Schicht ist dazu eingerichtet, im Betrieb des Halbleiterbauteils eine elektromagnetische Strahlung zu erzeugen oder zu detektieren. Die aktive Schicht kann eine Einfach-Quantentopfstruktur oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur beliebiger Dimensionalität umfassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils weist die in der aktiven Schicht erzeugte oder die von der aktiven Schicht zu detektierende Strahlung eine Scheitelwellenlänge, englisch peak wavelength, auf. Die Scheitelwellenlänge ist diejenige Wellenlänge, bei der im Spektrum der zu erzeugenden oder zu emittierenden Strahlung eine maximale Intensität vorliegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils beinhaltet dieses zumindest einen photonischen Kristall. Der photonische Kristall ist zur Einkopplung oder zur Auskopplung einer von der aktiven Schicht erzeugten oder einer von der aktiven Schicht zu detektierenden Strahlung eingerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist der photonische Kristall ein Material mit einer periodischen Variation des optischen Brechungsindexes. Eine Periodizität der Änderung des Brechungsindexes erfolgt dabei auf einer Skala der Größenordnung der Vakuumwellenlänge der Strahlung, für die der photonische Kristall vorgesehen ist. Zum Beispiel erfolgt die Variation des Brechungsindexes auf Längen, die zwischen einschließlich einem Viertel und einem Vierfachen der Scheitelwellenlänge liegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist der photonische Kristall von der aktiven Schicht beabstandet. Mit anderen Worten grenzt die aktive Schicht nicht unmittelbar an den photonischen Kristall. Die aktive Schicht ist auch kein Teil des photonischen Kristalls.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist der photonische Kristall durch eine Überlagerung von mindestens zwei Gittern mit voneinander verschiedenen, auf die Scheitelwellenlänge normierten reziproken Gitterkonstanten gebildet. Mit anderen Worten weist der photonische Kristall wenigstens zwei Gitter mit verschiedenen Gitterkonstanten auf, die miteinander kombiniert sind. Eine eindimensionale oder eine zweidimensionale Fourier-Analyse des photonischen Kristalls liefert also mindestens zwei voneinander verschiedene Gitterkonstanten.
Dass die reziproken Gitterkonstanten auf die Scheitelwellenlänge normiert sind, kann folgendes bedeuten: Eine reziproke Gitterkonstante G* ergibt sich aus einer zugrunde liegenden realen Gitterkonstanten A in einem eindimensionalen Fall aus dem Zusammenhang G* = 2π/A. Ein Wellenvektor k₀ bei der Scheitelwellenlänge λ0 ergibt sich zu k₀ = 2π/λ0, wobei λ0 die Scheitelwellenlänge im Vakuum ist. Die normierte reziproke Gitterkonstante G ergibt sich dann zu G = G*/k₀ = λ0/A. Für zum Beispiel ein zweidimensionales, hexagonales Gitter ergibt sich G = (2 λ0)/(3^0,5 A).
In mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils beinhaltet dieses wenigstens eine Halbleiterschichtenfolge mit mindestens einer aktiven Schicht sowie zumindest einen photonischen Kristall zur Einkopplung oder zur Auskopplung einer von der mindestens einen aktiven Schicht zu erzeugenden oder zu empfangenden Strahlung aus der oder in die Halbleiterschichtenfolge. Die Strahlung weist eine Scheitelwellenlänge auf. Der photonische Kristall ist von der aktiven Schicht beabstandet und durch eine Überlagerung von mindestens zwei Gittern mit voneinander verschiedenen, auf die Scheitelwellenlänge normierten, reziproken Gitterkonstanten gebildet.
Halbleiterschichtenfolgen, insbesondere zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Spektralbereich, weisen einen vergleichsweise hohen Brechungsindex von beispielsweise mehr als 2 oder von mehr als 3,5 auf. Insbesondere durch den hohen Brechungsindex kann es zu einer Führung von Moden der Strahlung in der Halbleiterschichtenfolge mit der aktiven Schicht kommen. Hierdurch kann eine Auskopplung dieser Moden aus der Halbleiterschichtenfolge erschwert sein.
Eine Möglichkeit, derartige Moden aus einer Halbleiterschichtenfolge auszukoppeln, besteht darin, eine Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge aufzurauen. Hieraus resultiert im Allgemeinen eine Halbleiterschichtenfolge, die an der Hauptfläche ein Lambertscher Strahler ist oder die eine einem Lambertschen Strahler ähnliche Abstrahlcharakteristik aufzeigt. Für Anwendungen, bei denen der Halbleiterschichtenfolge zum Beispiel optische Systeme zu einer Fokussierung nachgeschaltet sind, kann eine gerichtetere Abstrahlung als bei einem Lambertschen Strahler erwünscht sein.
Zu einer effizienten Lichtauskopplung und gerichteten Abstrahlung kann ein photonischer Kristall an der Halbleiterschichtenfolge geformt sein. Über einen photonischen Kristall ist im Regelfall nur ein solcher Strahlungsanteil auskoppelbar, der eine Bragg-Bedingung erfüllt. Die Bragg-Bedingung stellt insbesondere einen Zusammenhang zwischen der Wellenlänge des Strahlungsanteils und der Gitterkonstanten des photonischen Kristalls her. Eine effiziente Auskopplung einer Strahlung erfolgt im Regelfall nur für solche Moden der Strahlung, für die die Bragg-Bedingung für die Gitterkonstante des photonischen Kristalls erfüllt ist.
Durch einen photonischen Kristall, der durch eine Überlagerung von Gittern mit wenigstens zwei voneinander verschiedenen Gitterkonstanten gebildet ist, kann die Bragg-Bedingung für mehr Moden der Strahlung erfüllt werden, verglichen mit dem Fall, dass der photonische Kristall nur mit einem Gitter mit einer einzigen Gitterkonstanten gebildet ist. Durch einen solchen photonischen Kristall ist also insbesondere eine Auskoppeleffizienz von gerichtet emittierter Strahlung aus der Halbleiterschichtenfolge steigerbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils liegt ein Betrag aus einer Differenz von wenigstens zwei oder von allen der normierten, reziproken Gitterkonstanten zwischen einschließlich 0,5 und 2,5. Anders ausgedrückt gilt: 0,5 ≤ |G₁–G₂| ≤ 2,5, wobei G₁ und G₂ die zwei oder zwei der normierten, reziproken Gitterkonstanten des Gitters sind. Insbesondere liegt der Betrag zwischen einschließlich 0,8 und 1,3. Im Falle von mehr als zwei Gitterkonstanten ist insbesondere G₁ die größte und G₂ die kleinste der Gitterkonstanten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils weist eine der normierten, reziproken Gitterkonstanten einen Wert zwischen einschließlich 1,0 und 1,35 auf, bevorzugt zwischen einschließlich 1,05 und 1,25, insbesondere zwischen einschließlich 1,10 und 1,20.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils beträgt eine der normierten, reziproken Gitterkonstanten zwischen einschließlich 1,7 und 2,6, insbesondere zwischen einschließlich 1,7 und 1,9 oder zwischen einschließlich 2,0 und 2,4.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist der photonische Kristall ein Teil der Halbleiterschichtenfolge. In diesem Fall ist der photonische Kristall bevorzugt aus dem gleichen Material geformt oder basiert auf dem gleichen Material, aus dem die Halbleiterschichtenfolge gebildet ist. Beispielsweise ist der photonische Kristall dann in eine Schicht der Halbleiterschichtenfolge strukturiert, insbesondere in eine äußerste Schicht der Halbleiterschichtenfolge.
Ist der photonische Kristall durch eine Überlagerung von mindestens drei Gittern mit voneinander verschiedenen Gitterkonstanten gebildet, so können sich die angegebenen Faktoren auf alle oder nur auf einen Teil der Gitterkonstanten beziehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils gilt für eine, für zwei und/oder für alle der normierten reziproken Gitterkonstanten G der Zusammenhang: 0,7 < G < n, wobei n ein maximaler Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge ist, wobei zur Ermittlung des mittleren Brechungsindexes der Halbleiterschichtenfolge der photonische Kristall selbst nicht einzubeziehen ist, in dem Fall, dass der photonische Kristall ein Teil der Halbleiterschichtenfolge ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils sind die mindestens zwei Gitter, die den photonischen Kristall bilden, durch Löcher in einer Schicht, insbesondere in einer Schicht der Halbleiterschichtenfolge, geformt. Die Löcher der mindestens zwei Gitter weisen voneinander verschiedene mittlere Radien insbesondere größer als Null auf. Die Löcher von einem der Gitter können hierbei gleich Null sein, so dass stellenweise mit anderen Worten Löcher in dem anderen Gitter weggelassen sind.
Es kann der photonische Kristall hiernach durch ein einziges Übergitter mit einer einzigen Übergitterkonstante beschreibbar sein, wobei Gitterpunkte dieses Übergitters durch Löcher mit unterschiedlichen Radien belegt sind. Die Verteilung der Radien der Löcher erfolgt nach den Gitterkonstanten der zwei Gitter, deren Überlagerung den photonischen Kristall bildet, und ergibt sich nicht aus dem Übergitter.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils weisen die Löcher der beiden Gitter im Rahmen der Herstellungstoleranzen jeweils gleiche Tiefen auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist der photonische Kristall durch eine Superposition der mindestens zwei Gitter gebildet. Superposition bedeutet insbesondere, dass der photonische Kristall nicht durch ein einziges Übergitter beschreibbar ist, bei dem an allen Gitterpunkten des Übergitters Löcher mit unterschiedlichen Radien größer Null geformt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils bedeutet Superposition, zusätzlich oder alternativ zu der im vorangehenden Absatz beschriebenen Ausführungsform, dass der photonische Kristall Ausnehmungen mit vorgegebenen, unterschiedlichen Tiefen aufweist. Eine Gesamttiefe der Ausnehmungen ergibt sich bevorzugt aus einer Summe von Tiefen, die die einzelnen Gitter aufweisen würden, falls diese nicht superpositioniert wären.
Beispielsweise ist ein photonischer Kristall, der aus einer Überlagerung von zwei Gittern mit Löchern unterschiedlicher Radien geformt ist und ein Übergitter aufweist, bei dem alle Gitterplätze mit Löchern belegt sind, kein durch Superposition zweier Gitter gebildeter photonischer Kristall ist, im vorliegenden Kontext.
Ebenso ist es möglich, dass Superposition bedeutet, dass die Überlagerung der Gitter unabhängig voneinander erfolgen kann, so dass die genaue Positionierung des einen Gitters unabhängig von der genauen Positionierung und/oder Ausrichtung des anderen Gitters sein kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils tragen mindestens zwei der Gitter, insbesondere alle Gitter des photonischen Kristalls mit einer Toleranz von höchstens 25% gleich stark zu einer Auskopplung oder zur einer Einkopplung der Strahlung aus der oder in die Halbleiterschichtenfolge bei. Bevorzugt beträgt die Toleranz höchstens 10%, insbesondere höchstens 5%. Eine Bestimmung des Strahlungsanteils, dessen Einkopplung oder Auskopplung auf eines der Gitter des photonischen Kristalls zurückgeht, kann durch eine Analyse der von dem Halbleiterbauteil beispielsweise emittierten Strahlungen in mehreren Bildebenen mit verschiedenen Abständen zu dem Halbleiterbauteil erfolgen. In die Analyse kann insbesondere einfließen, welche spektralen Anteile in welche Raumwinkel emittiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist die mindestens eine aktive Schicht zur Erzeugung einer ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Strahlung ausgebildet, wobei mindestens 40% einer Intensität des von dem Halbleiterbauteil emittierten Lichts innerhalb eines Winkelbereichs, insbesondere eines Kegels, mit einem Öffnungswinkel von höchstens 50°, insbesondere von höchstens 30°, aus dem photonischen Kristall emittiert wird. Der Raumwinkelbereich beträgt also zum Beispiel höchstens 0,2π sr oder höchstens 0,1π sr. Mit anderen Worten erfolgt die Auskopplung der Strahlung aus der Halbleiterschichtenfolge heraus durch den photonischen Kristall gerichtet in einen kleinen Raumwinkelbereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils emittiert das Halbleiterbauteil einen um mindestens 10 Prozentpunkte oder einem um mindestens 20 Prozentpunkte höheren Strahlungsanteil in einen Raumwinkelbereich, der durch einen Kegel mit einem Öffnungswinkel von 50° oder von 30° gebildet wird, als ein so genannter Lambert'scher Strahler. Die Abstrahlung des Halbleiterbauteils erfolgt also insbesondere gerichteter als bei einem Lambert'schen Strahler.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist eine der aktiven Schicht abgewandte Seite des photonischen Kristalls mit einer strahlungsdurchlässigen, dielektrisch oder, bevorzugt, elektrisch leitfähigen Schicht bedeckt. Eine solche Schicht kann zu einer Stromaufweitung oder Stromverteilung dienen. Ausnehmungen des photonischen Kristalls, durch die eine Variation des Brechungsindexes realisiert ist, können vollständig oder teilweise mit einem Material der strahlungsdurchlässigen Schicht gefüllt sein. Die Gitterkonstanten des photonischen Kristalls sind dann bevorzugt an den durch die strahlungsdurchlässige Schicht veränderten Brechungsindex der Ausnehmungen anzupassen. Bevorzugt sind die Radien von den gegebenenfalls vorhanden Löchern der Gitter des photonischen Kristalls zusätzlich oder alternativ ebenso angepasst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist der photonische Kristall ein eindimensionaler Kristall. Mit anderen Worten erfolgt dann eine Modulierung des Brechungsindexes des photonischen Kristalls nur entlang genau einer Raumrichtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist dieses eine Leuchtdiode.
Darüber hinaus wird ein photonischer Kristall angegeben. Bei dem photonischen Kristall kann es sich um einen photonischen Kristall handeln, wie er in Verbindung mit einer oder mehrerer der Ausführungsformen des optoelektronischen Halbleiterbauteils beschrieben ist. Merkmale des optoelektronischen Halbleiterbauteils sind daher auch für den hier beschriebenen photonischen Kristall offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform ist der photonische Kristall für ultraviolette, sichtbare und/oder nahinfrarote Strahlung eingerichtet. Der photonische Kristall ist frei von einer zu einer Strahlungserzeugung oder zu einer Strahlungsabsorption eingerichteten aktiven Schicht. Außerdem ist der photonische Kristall durch eine Überlagerung von mindestens zwei Gittern mit voneinander verschiedenen reziproken Gitterkonstanten gebildet.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauteil sowie ein hier beschriebener photonischer Kristall 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.
Es zeigen:
1 und 2 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
3 eine schematische Darstellung von Beispielen von Spektren einer von hier beschriebenen Halbleiterbauteilen emittierten Strahlung,
4, 5, 7 und 10 schematische Draufsichten auf Ausbildungsbeispiele von hier beschriebenen photonischen Kristallen,
6 und 8 schematische Darstellungen von Auskoppeleffizienzen in Abhängigkeit von einem Abstrahlwinkel und von einer Wellenlänge von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Halbleiterbauteilen,
9 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines hier beschriebenen Halbleiterbauteils, und
11 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Modenverteilung eines Halbleiterbauteils.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils 1 in einer Schnittdarstellung schematisch dargestellt. Eine Halbleiterschichtenfolge 2 weist eine aktive Schicht 3 auf, in den Figuren als Strich-Linie gekennzeichnet. Ferner umfasst die Halbleiterschichtenfolge 2 einen photonischen Kristall 4, der durch eine periodische Variation eines Brechungsindexes in Form von Ausnehmungen in einer äußersten Schicht der Halbleiterschichtenfolge 2 gestaltet ist. Die Ausnehmungen reichen nicht bis zu der mindestens einen aktiven Schicht 3. In den Figuren ist der photonische Kristall 4 durch eine Punkt-Linie von den weiteren Teilen der Halbleiterschichtenfolge 2 rein zeichnerisch abgeteilt. Der photonische Kristall 4 ist physisch Teil der Halbleiterschichtenfolge 2 und ist mit dieser monolithisch geformt.
An einer dem photonischen Kristall 4 abgewandten Hauptseite 20 der Halbleiterschichtenfolge 2 ist bevorzugt ein Spiegel 6 angebracht. Bei dem Spiegel 6 kann es sich um einen Metallspiegel, beispielsweise mit oder aus Silber, handeln. Ebenso ist es möglich, dass der Spiegel 6 eine Kombination aus einem transparenten Material mit einem niedrigen Brechungsindex und einer reflektierenden Metallschicht ist. Über den Spiegel 6 ist die Halbleiterschichtenfolge 2 an einem Träger 8 angebracht. Zur Vereinfachung der graphischen Darstellung sind elektrische Kontakte der Halbleiterschichtenfolge 2 in den Figuren nicht dargestellt.
Ein Abstand D zwischen der aktiven Schicht 3 und dem Spiegel 6 beträgt zum Beispiel mindestens 100 nm und höchstens 6 μm. Bevorzugt beträgt der Abstand D zwischen einschließlich 100 nm und 2 μm oder zwischen einschließlich 100 nm und 150 nm. Der Abstand D ist bevorzugt ein ganzzahliges Vielfaches einer Scheitelwellenlänge λ0*, addiert mit einem Viertel der Scheitelwellenlänge λ0*. Beispielsweise beträgt der Abstand D 0,75 λ0* oder 1,25 λ0* oder 1,75 λ0. λ0* ist hierbei eine Scheitelwellenlänge λ0 im Vakuum geteilt durch einen mittleren Brechungsindex n des Bereichs der Halbleiterschichtenfolge 2, der zwischen der Hauptseite 20 und der aktiven Schicht 3 liegt. Der Abstand D ist bevorzugt eine Distanz zwischen dem Spiegel 6 und einer Mitte der mindestens einen aktiven Schicht, insbesondere in einer Richtung senkrecht zu dem Spiegel 6. Insbesondere bei einer auf GaN oder InGaN basierenden Halbleiterschichtenfolge gilt für den Abstand D bevorzugt der Zusammenhang: 0,5 λ0/n ≤ D ≤ λ0/n. Ein Abstand T zwischen dem photonischen Kristall 4 und der aktiven Schicht 3 beträgt zum Beispiel mindestens 150 nm und höchstens 8 μm, insbesondere mindestens 500 nm und höchstens 6 μm.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauteils 1 dargestellt. Der photonische Kristall 4 ist an einer der aktiven Schicht 3 abgewandten Hauptseite 25 der Halbleiterschichtenfolge 2 von einer klarsichtigen, elektrisch leitfähigen Schicht 7 mindestens teilweise bedeckt. Die Schicht 7 kann Ausnehmungen des photonischen Kristalls 4, die in der Halbleiterschichtenfolge 2 erzeugt sind, teilweise oder, wie in 2 gezeigt, vollständig ausfüllen. Beispielsweise umfasst oder besteht die elektrisch leitfähige Schicht 7 aus einem transparenten leitfähigen Oxid, insbesondere aus Indiumzinnoxid, kurz ITO. Eine mittlere Dicke der elektrisch leitfähigen Schicht 7 beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 80 nm und 400 nm, insbesondere um 120 nm.
Durch die elektrisch leitfähige Schicht 7 kann eine Stromverteilung in lateraler Richtung erfolgen oder verbessert sein. Hierdurch ist insbesondere der Abstand T zwischen der aktiven Schicht 3 und dem photonischen Kristall 4 reduzierbar, wodurch eine insgesamt dünnere Halbleiterschichtenfolge 2 erzielt werden kann.
In den 3A und 3B sind schematisch Spektren einer von den Halbleiterbauteilen 1 etwa gemäß den 1 und 2 erzeugten Strahlung dargestellt. Die Scheitelwellenlängen λ0 sind jeweils diejenigen Wellenlängen λ, bei denen eine maximale Intensität I vorliegt. In 3A liegt die Scheitelwellenlänge λ0 bei etwa 460 nm, in 3B bei etwa 850 nm.
In 4 sind verschiedene Draufsichten auf Beispiele der photonischen Kristalle 4 dargestellt. Die illustrierten photonischen Kristalle 4 können insbesondere bei einem Halbleiterbauteil 1 gemäß den 1 und 2 vorliegen.
Der photonische Kristall 4 gemäß 4A ist ein eindimensionaler photonischer Kristall, das heißt, eine Variation des Brechungsindexes erfolgt nur entlang genau einer lateralen Richtung. Der photonische Kristall 4 ist durch eine Überlagerung eines ersten Gitters 41 und eines zweiten Gitters 42 gebildet. Eine reale Gitterkonstante A2 des zweiten Gitters 42 beträgt die Hälfte einer realen Gitterkonstante A1 des ersten Gitters 41. Beide Gitter 41, 42 sind durch streifenförmige oder rillenartige Ausnehmungen, bevorzugt in der Halbleiterschichtenfolge 2, gebildet.
Gemäß 4B ist der photonische Kristall 4 durch eine Überlagerung von zwei Gittern mit Löchern 51, 52 mit unterschiedlichen Radien gebildet. Alle Gitterpunkte eines Übergitters sind mit den Löchern 51, 52 der beiden Gitter, die den photonischen Kristall 4 bilden, besetzt, entsprechend der Gitterkonstanten der beiden Gitter. Eine Verteilung der Radien der Löcher 51, 52 ergibt sich also nicht alleine aus dem Übergitter und somit auch nicht eine Gesamtstruktur des photonischen Kristalls 4. Das Übergitter weist eine quadratische Grundstruktur auf. Die Gitterkonstanten der beiden den photonischen Kristall 4 bildenden, überlagerten Gitter unterscheiden sich um einen Faktor 2.
Gemäß 4C weist der photonische Kristall 4 eine hexagonale Grundstruktur auf. Die beiden den photonischen Kristall 4 bildenden Gitter sind durch die Löcher 51, 52 mit unterschiedlichen Radien gebildet. Die Gitterkonstanten der beiden Gitter unterscheiden sich um einen Faktor 2.
Gemäß 4D weist der photonische Kristall ebenfalls eine hexagonale Grundstruktur auf. Die Gitterkonstanten der den photonischen Kristall 4 bildenden Gitter unterscheiden sich um einen Faktor Wurzel aus 3 ≈ 1,73.
Anders als in 4 dargestellt können die den photonischen Kristall 4 bildenden Gitter auch Gitterkonstanten aufweisen, die sich um einen Faktor Wurzel aus 2 oder um ein Dreifaches oder Vierfaches voneinander unterscheiden.
In 5A ist detaillierter der photonische Kristall 4 gemäß 4C illustriert. Die Löcher 51 des ersten Gitters weisen einen größeren Radius r1 auf. Der Radius r1 der Löcher 51 beträgt zum Beispiel zwischen einschließlich einem 0,40-fachen und einem 0,50-fachen der realen Gitterkonstante A des Gitters mit der kleineren Gitterkonstante. Die Radien r2 der kleineren Löcher 52 betragen beispielsweise zwischen einschließlich dem 0,15-fachen und dem 0,30-fachen der realen Gitterkonstante A.
In 5C ist ferner eine elektronenmikroskopische Aufnahme des photonischen Kristalls 4 gezeigt. Das Halbleiterbauteil 1 weist eine auf Galliumarsenid basierende Halbleiterschichtenfolge mit einer Gesamtdicke (T + D) von zirka 800 nm auf und emittiert um eine Scheitelwellenlänge λ0 von zirka 850 nm. Die Gitterkonstante A beträgt etwa 270 nm.
In 5B ist ein Verhältnis aus Strahlungsintensitäten I1 und I2 der von den den photonischen Kristall 4 bildenden Gittern ausgekoppelten Strahlungsintensitäten in Abhängigkeit des Radius r1 der Löcher 51 des ersten Gitters angegeben. Der Radius r2 der kleineren Löcher beträgt hierbei ein 0,21-faches der Gitterkonstanten A, vergleiche 5A. Mit zunehmendem Wert der Radien r1 steigt der Anteil der Strahlung, der von den größeren Löchern 51 des Gitters mit der größeren realen Gitterkonstanten aus der Halbleiterschichtenfolge 2 ausgekoppelt wird. Das Verhältnis I1 zu I2 ist also durch eine geeignete Wahl der Radien r1, r2 der Löcher 51, 52 der Gitter einstellbar.
In 6 sind Fernfelder einer emittierten Strahlung in Abhängigkeit von einem Emissionswinkel θ und in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ aufgetragen. In 6A ist das Fernfeld eines Bauteils gezeigt, bei dem der photonische Kristall nur durch ein hexagonales Gitter gebildet ist, beispielsweise nur durch das Gitter mit den kleineren Löchern 52 gemäß 5A. Zum Vergleich ist in 6B das Fernfeld für das Halbleiterbauteil 1 mit dem photonischen Kristall 4 gemäß 5C dargestellt. Helle Bereiche in 6 sind Bereiche, in die verstärkt Strahlung von dem Bauteil oder dem Halbleiterbauteil 1 emittiert wird.
In 7A ist schematisch ein photonischer Kristall 4 illustriert, der durch eine Superposition der Gitter 41, 42 gebildet ist. Beispielsweise eine Gesamttiefe der resultierenden Ausnehmungen in der Schicht, in der der photonische Kristall 4 geformt ist, ergibt sich aus einer Summe der Tiefen der Ausnehmungen, die auf das Gitter 41 zurückgehen sowie der Ausnehmungen, die auf das Gitter 42 zurückgehen. Hieraus resultiert eine vergleichsweise komplexe Struktur des photonischen Kristalls 4, siehe die elektronenmikroskopische Aufnahme gemäß 7B.
In 7C ist ferner eine zweidimensionale Fourier-Transformation einer Oberseite des photonischen Kristalls 4 gemäß 7B dargestellt. Die Fourier-Amplituden für eine stärkste Bande des Gitters 41 und für eine stärkste Bande des Gitters 42 sind, mit einer Toleranz von höchstens 25% oder von höchstens 10%, gleich groß. Mit anderen Worten sind die je stärksten Banden der Gitter 41, 42 in der Darstellung gemäß 7C ungefähr gleich intensiv ausgeprägt. Aus der Fourier-Transformation ist ablesbar, dass die auf die beiden, superpositionierten Gitter zurückgehenden Intensitäten der emittierten Strahlung vergleichbar groß sind.
In 8A ist das optische Fernfeld für ein Bauteil angegeben, bei dem eine Abwandlung eines photonischen Kristall mit nur einem einzigen Gitter, etwa nur dem Gitter 41 der 7A, gebildet ist. In 8B ist das Fernfeld für den photonischen Kristall 4 gemäß 7B gezeigt. Das zugrunde liegende Halbleiterbauteil 1 basiert auf Indiumgalliumnitrid. Die Halbleiterschichtenfolge weist eine Gesamtdicke (D + T) von zirka 5 μm bis 6 μm auf. Die Scheitelwellenlänge λ0 liegt bei zirka 450 nm. Gemäß 8A beträgt die eine einzige normierte, reziproke Gitterkonstante des hexagonalen Gitters 2,3. Gemäß 8B betragen die normierten, reziproken Gitterkonstanten der zwei superpositionierten Gitter zirka 1,15 und 2,3.
Im Vergleich zu einem abgewandeltem photonischen Kristall etwa gemäß 6A oder 8A ist eine Intensität der von dem Halbleiterbauteil 1 emittierten Strahlung gemäß 6B oder 8B um mehrere Prozent erhöht. Darüber hinaus erfolgt die Emission der Strahlung jeweils konzentriert in einen vergleichsweise kleinen Raumwinkelbereich.
In 9 ist ein Herstellungsverfahren für das optoelektronische Halbleiterbauteil 1 illustriert. Mit dem Verfahren kann beispielsweise ein Halbleiterbauteil 1 gemäß 7B hergestellt werden.
Gemäß 9A wird über ein lithographisches Verfahren das Gitter 42 mittels eines Belichtens auf einen Fotolack 9, der auf der Halbleiterschichtenfolge 2 mit der aktiven Schicht 3 aufgebracht ist, übertragen. Alternativ kann ein Schreiben des Gitters 42 in den Fotolack 9 beispielsweise über Elektronenstrahlung erfolgen. Hierdurch resultieren belichtete beziehungsweise mit Elektronen bestrahlte Bereiche 90 des Fotolacks 9.
Gemäß 9B wird das weitere Gitter 41 ebenfalls auf den Fotolack 9 übertragen, so dass ein komplexeres Muster der belichteten beziehungsweise bestrahlten Bereiche 90 entsteht. Die Dosis der Belichtung beziehungsweise der Bestrahlung ist bevorzugt so gewählt, dass der Fotolack 9 durch die Belichtung beziehungsweise durch die Bestrahlung nicht gesättigt wird. Bei dem Fotolack handelt es sich zum Beispiel um einen Positivlack.
In 9C ist die Geometrie des Fotolacks 9 dargestellt, nach dem die belichteten oder bestrahlten Bereiche 90 entfernt wurden. Anschließend erfolgt ein Ätzen, wodurch die Struktur des Fotolacks 9 auf die Halbleiterschichtenfolge 2 übertragen wird, wodurch der photonische Kristall 4 resultiert, siehe 9D.
Anstelle eines lithographischen oder photolithographischen Verfahrens ist ein durch Superposition von zwei Gittern gebildeter photonischer Kristall 4 auch beispielsweise durch ein so genanntes Nanoimprint-Verfahren erzeugbar. Hierbei wird ein entsprechend geformter Stempel auf den Fotolack 9 gedrückt, worauf ein Ätzen erfolgt, so dass die Struktur des Stempels mit Hilfe des Fotolacks auf die Halbleiterschichtenfolge 2 übertragbar ist.
In 10 ist eine Draufsicht auf den photonischen Kristall 4 gemäß 7B dargestellt. Der photonische Kristall 4 ist hierbei mit einer transparenten, elektrisch leitfähigen Schicht 7 überdeckt, so dass beispielsweise das Halbleiterbauteil 1 gemäß 2 resultiert.
In 11 ist eine Modenintensität B_m einer Modenverteilung β_m in Einheiten von k₀ = 2π/λ0 dargestellt. Unterhalb von βm = 1 ist die Modenintensität B_m um einen Faktor 50 vergrößert dargestellt. Die Modenverteilung β_m weist ein breites Maximum um zirka 1,3 sowie ein schmäleres Maximum um zirka 2,3 auf. Mit einem photonischen Kristall 4 mit reziproken Gitterkonstanten von 1,15 und 2,3, zum Beispiel wie in 7B gezeigt, ist bei einer derartigen Modenverteilung β_m eine hohe Auskoppeleffizienz erzielbar.
Abhängig von der Modenverteilung β_m sind die reziproken Gitterkonstanten, insbesondere im Falle eines photonischen Kristalls 4, der durch eine Superposition zweier Gitter gebildet ist, anpassbar. Weist die Modenverteilung mehrere Maxima auf, so kann der photonische Kristall 4 bevorzugt auch durch eine Überlagerung von mehr als zwei Gittern, beispielsweise durch eine Überlagerung von drei oder von vier Gittern mit verschiedenen Gitterkonstanten, gebildet sein.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder dies Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Applied Physics Letters, Ausgabe 79, Nummer 26, Seiten 4280 bis 4282, Dezember 2001 [0002]

Claims

Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) mit – einer Halbleiterschichtenfolge (2) mit wenigstens einer aktiven Schicht (3), und – einem photonischen Kristall (4) zur Einkopplung oder zur Auskopplung einer Strahlung mit einer Scheitelwellenlänge (λ0) aus der oder in die Halbleiterschichtenfolge (2), wobei der photonische Kristall (4) von der aktiven Schicht (3) beabstandet ist und durch eine Überlagerung von mindestens zwei Gittern (41, 42) mit voneinander verschiedenen, auf die Scheitelwellenlänge (λ0) normierten reziproken Gitterkonstanten gebildet ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der photonische Kristall (4) ein Teil der Halbleiterschichtenfolge (2) ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für eine oder für zwei der normierten reziproken Gitterkonstanten G gilt: 0,7 < G < n, wobei n ein maximaler Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge (2) ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für einen Betrag aus einer Differenz der zwei oder von zwei der normierten reziproken Gitterkonstanten G₁, G₂ gilt: 0,5 ≤ |G₁–G₂| ≤ 2,5.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine der normierten reziproken Gitterkonstanten zwischen einschließlich 1,0 und 1,35 beträgt, und die andere der Gitterkonstanten zwischen einschließlich 1,7 und 2,6 beträgt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der photonische Kristall (4) durch eine Superposition der mindestens zwei Gitter (41, 42) gebildet ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mindestens zwei Gitter (41, 42) durch Löcher (51, 52) gebildet sind, wobei die Löcher (51, 52) der mindestens zwei Gitter (41, 42) voneinander verschiedene mittlere Radien (r1, r2) aufweisen.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der mittlere Radius (r2) der Löcher (52) des Gitters (42) mit der kleineren realen Gitterkonstante A2 zwischen einschließlich 0,15 × A2 und 0,30 × A2 liegt, und der mittlere Radius (r1) der Löcher (51) des Gitters (41) mit der größeren realen Gitterkonstante (A1) zwischen einschließlich 0,40 × A2 und 0,50 × A2 liegt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an einer dem photonischen Kristall (4) abgewandten Hauptseite (20) der Halbleiterschichtenfolge (2) ein Spiegel (6) angebracht ist, wobei ein Abstand (D) zwischen dem Spiegel (6) und der aktiven Schicht (3) mindestens 100 nm und höchstens 6 μm beträgt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Abstand (T) zwischen dem photonischen Kristall (4) und der aktiven Schicht (3) mindestens 150 nm und höchstens 8 μm beträgt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Fourier-Amplituden einer insbesondere zweidimensionalen Fourier-Transformation des photonischen Kristalls (4), wobei die Fourier-Amplituden von je einer stärksten Banden von einem der Gitter (41, 42) in der Fourier-Transformation stammen, mit einer Toleranz von höchstens 25% gleich groß sind.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mindestens eine aktive Schicht (3) zur Erzeugung von ultraviolettem, sichtbarem und/oder nahinfrarotem Licht ausgebildet ist, wobei mindestens 40% einer Intensität des die Halbleiterschichtenfolge (3) und/oder den photonischen Kristall (4) verlassenden Lichts innerhalb eines Winkelbereichs mit einem Öffnungswinkel von höchstens 50° aus dem photonischen Kristall (4) emittiert wird.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine der aktiven Schicht (3) abgewandte Seite des photonischen Kristalls (4) mit einer Strahlung durchlässigen, elektrisch leitfähigen Schicht (7) bedeckt ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der photonische Kristall (4) ein eindimensionaler Kristall ist.
Photonischer Kristall (4) für ultraviolette, sichtbare und/oder nahinfrarote Strahlung, wobei der photonische Kristall (4) frei von einer zu einer Strahlungserzeugung oder zu einer Strahlungsabsorption eingerichteten aktiven Schicht ist, und der photonische Kristall (4) durch eine Überlagerung von mindestens zwei Gittern (41, 42) mit voneinander verschiedenen reziproken Gitterkonstanten gebildet ist.