DE102016202927A1

DE102016202927A1 - Halbleiterbauelement, Mikroresonator und Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE102016202927A1
Application number: DE102016202927.4A
Authority: DE
Inventors: Irma Slowik; Axel Fischer; Hatmut Fröb; Sebastian Reineke; Simone Lenk; Karl Leo
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2017-08-31

Abstract

Es wird ein Halbleiterbauelement (1), insbesondere eine organische Leuchtdiode, vorgeschlagen, welches zwei Elektroden (3, 4) und ein organisches Halbleitermaterial umfassendes Emittersystem (5) aufweist, wobei das Halbleiterbauelement (1) eine innerhalb des Emittersystems (5) liegende Rekombinationszone (13) umfasst, in welcher von den Elektroden (3, 4) injizierte Elektronen und Löcher unter Ausstrahlung von Photonen miteinander rekombinieren, wobei das Halbleiterbauelement (1) wenigstens eine hochleitfähige und zumindest teilweise transparente Leitungsschicht (11, 12) zur lateralen Ausweitung oder Verschiebung der Rekombinationszone (13) gegenüber den Elektroden (3, 4) aufweist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Halbleiterbauelement, insbesondere organische Leuchtdiode, aufweisend zwei Elektroden und ein organisches Halbleitermaterial umfassendes Emittersystem, wobei das Halbleiterbauelement eine innerhalb des Emittersystems liegende Rekombinationszone umfasst, in welcher von den Elektroden injizierte Elektronen und Löcher unter Ausstrahlung von Photonen miteinander rekombinieren.
Grundsätzlich sind organische Leuchtdioden (engl. organic light-emitting diode, OLED) aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise der Druckschrift DE 10 2009 048 604 A1 , hinlänglich bekannt.
Eine organische Leuchtdiode umfasst eine oder mehrere organische Halbleiterschichten zwischen zwei Elektroden. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden werden von der Kathode Elektronen injiziert und von der Anode Löcher bereitgestellt. Die Elektronen und Löcher driften vertikal durch die Halbleiterschichten aufeinander zu und rekombinieren miteinander. Dabei bilden sie kurzzeitig einen gebundenen Zustand, den man als Exziton (Elektronen-Loch-Paar) bezeichnet. Beim Zerfall des Exziton wird Licht einer definierten Wellenlänge ausgestrahlt. Die Farbe bzw. Wellenlänge des ausgestrahlten Lichts hängt von der Beschaffenheit des organischen Materials in der Rekombinationszone ab.
Die Rekombinationszone liegt vorzugsweise innerhalb der sogenannten Emitterschicht, welche gezielt mit Farbstoffmolekülen versetzt ist, um beim Zerfall des Exziton Licht einer bestimmten Wellenlänge (Farbe) zu erzeugen. Das Farbstoffmolekül ist entweder ein fluoreszierender oder ein phosphoreszierender Emitter, der verschiedene Anregungszustände d. h. verschiedene Molekülorbitale einnehmen kann. Abhängig vom Mechanismus stellt das Exziton dann bereits den angeregten Zustand des Farbstoffmoleküls dar oder der Zerfall des Exzitons stellt die Energie zur Anregung des Farbstoffmoleküls zur Verfügung. Beim Übergang vom angeregten Zustand zurück in den Grundzustand wird, je nach Energieabstand zwischen angeregtem Zustand und Grundzustand, ein Photon entsprechender Wellenlänge ausgesandt. Durch Variation der Farbstoffmoleküle kann der Energieabstand gezielt verändert werden.
Damit das erzeugte Licht die organische Leuchtdiode in vertikaler Richtung verlassen kann ist eine der beiden Elektroden transparent ausgebildet. Ein weitverbreiteter Aufbau basiert beispielsweise auf einem mit Indiumzinnoxid (ITO) beschichteten Glassubstrat als transparente Anode und einer dünnen, lichtundurchlässigen Metallschicht als Kathode.
Nachteiligerweise ist bei organischen Leuchtdioden die Leitfähigkeit dotierter Schichten um ein Vielfaches geringer als bei anorganischen Schichten. Dadurch müssen die organischen Schichten durch Elektroden kontaktiert werden. Die transparente Elektrode, beispielsweise bestehend aus Indiumzinnoxid (ITO), hat eine um etwa zwei Größenordnungen geringere Leitfähigkeit als Aluminium, das vorzugsweise für die opaque, lichtreflektierende Elektrode verwendet wird. Dies führt zu einem Spannungsabfall innerhalb der Elektrode, wodurch innerhalb der aktiven Halbleiterschichten die Betriebsspannung abnimmt und somit die Strahlungsintensität beeinträchtigt wird. Zudem erfolgt ein erhöhter Wärmeeintrag in die organischen Schichten, wodurch sich die Lebensdauer des Bauelements massiv reduziert.
Aus dem Stand der Technik sind ferner gepumpte Halbleiterlaser (engl. light amplification by stimulated emission of radiation, LASER) bekannt, bei welchen anorganische Laserdioden zur Lichterzeugung in Mikroresonatoren eines Lasers Verwendung finden. Allerdings sind die verfügbaren Emissionswellenlängen von solchen Laserdioden vor allem im sichtbaren Spektralbereich begrenzt. Da organische Leuchtdioden gegenüber anorganischen Leuchtdioden eine Reihe von Vorteilen bieten, wie u. a. breite Absorptions- und Emissionsspektren, hohe Quanteneffizienten und reduzierte Herstellungskosten, ist man bemüht, organische Leuchtdioden in gepumpten Laser-Resonatoren zu realisieren.
Bei der Implementierung von organischen Leuchtdioden besteht aber das Problem, dass die Ladungsträgermobilität in organischen Halbleitern deutlich geringer ist, da der Ladungsträgertransport in organischen Halbleitern auf individuelle Hopping-Prozesse zwischen mehr oder weniger isolierten Molekülen oder entlang von Polymerketten angewiesen ist. Doch gerade bei elektrisch gepumpten Lasern werden hohe Injektionsstromdichten benötigt.
Zur Lösung dieses Problem schlägt die Druckschrift DE 101 62 783 A1 vor, hochdotierte Transportschichten einzusetzen. Die hohe Dotierung der Transportschicht führt zu einer erhöhten Leitfähigkeit, so dass die für einen elektrisch gepumpten organischen Halbleiterlaser erforderlichen hohen Stromdichten erzielt werden können.
Ein weiteres Problem ist jedoch, dass die metallische Elektrode zumindest auf einer Seite Licht absorbiert und somit zu erheblichen optischen Verlusten führt. Eine Grundvoraussetzung für funktionierende Lasertätigkeit ist jedoch, dass die Verstärkung im Resonator alle optischen Verluste durch Absorption, Streuung und Auskopplung überwiegen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und welches dadurch für den Einsatz in einem Halbleiterlaser geeignet ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Halbleiterbauelement, insbesondere eine organische Leuchtdiode, aufweisend zwei Elektroden und ein organisches Halbleitermaterial umfassendes Emittersystem, wobei das Halbleiterbauelement eine innerhalb des Emittersystems liegende Rekombinationszone umfasst, in welcher von den Elektroden injizierte Elektronen und Löcher unter Ausstrahlung von Photonen miteinander rekombinieren, wobei das Halbleiterbauelement wenigstens eine hochleitfähige und zumindest teilweise transparente zusätzliche Leitungsschicht zur lateralen Ausweitung oder Verschiebung der Rekombinationszone gegenüber den Elektroden aufweist.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine zusätzliche und zumindest teilweise transparente Leitungsschicht vorgesehen ist, welche nicht nur zu einer generellen Erhöhung der Leitfähigkeit beiträgt, um die für elektrisches Pumpen in einem Halbleiterlaser erforderlichen hohen Stromdichten gepaart mit einem möglichst niedrigen Wärmeeintrag zu erzielen, sondern die Rekombinationszone darüber hinaus auch lateral in einen Bereich ausgeweitet oder verschoben wird, welcher in vertikaler Richtung nicht mit den Elektroden überlappt. Durch diese vertikale Ausweitung oder Verschiebung der Rekombinationszone gegenüber der Elektroden können innerhalb der Rekombinationszone erzeugte Photonen die Halbleiterschicht in vertikaler Richtung verlassen, da einerseits die zusätzliche Leitungsschicht transparent ausgebildet ist und andererseits die Photonen (zumindest an den Rändern des ausgeweiteten Rekombinationsbereichs) in vertikaler Richtung nicht auf die Elektroden treffen. Die Verluste durch Absorption und Streuung an den Elektroden werden somit erheblich reduziert und ermöglichen den Einsatz der organischen Leuchtiode in einem Mikroresonator eines elektrisch gepumpten Halbleiterlasers. Um die Rekombinationszone (bzw. deren Ränder) in lateraler Richtung von den Elektroden zu beabstanden, ragt die zusätzliche Leitungsschicht entlang der Haupterstreckungsebene des Halbleiterbauelements insbesondere über die Elektrode bzw. über beide Elektroden hinaus. Die Leitungsschicht umfasst vorzugsweise n-dotiertes C₆₀, beispielsweise C₆₀:W₂(hpp)₄5–20 wt% (n-dotiert), vorzugsweise 16 wt%. Auch andere dotierte Molekülschichten außer C₆₀ wären denkbar, zum Beispiel Pentacene oder andere Materialien, die eine Mobilität größer 0.1 cm²/Vs haben. Alternativ umfasst die Leitungsschicht leitfähiges Polymer, wie bspw. PE-DOT:PSS (p-dotiert), oder ein leitfähiges Oxid, sofern es eine geringe Schichtdicke aufweist, bspw. zwischen 5 und 30 Nanometern. Vorteilhafterweise sinkt die Absorption bei solch dünnen Schichtdicken nicht nur aufgrund der geringeren Schichtdicke ab, sondern auch durch die Tatsache, dass die Feldüberhöhung des elektrischen Feldes in der Resonatormitte am höchsten ist, so dass es vorteilhaft ist, die Elektroden dünn und nah an die Spiegel zu positionieren. Die Leitungsschicht könnte ferner auch als dünne transparente Metallschicht, bspw. als Aluminium-, Silber- oder Goldschicht, ausgebildet sein, insbesondere in Dicken zwischen 0,1 und 25 Nanometern, bevorzugt zwischen 0,5 und 10 Nanometern und besonders bevorzugt von im Wesentlichen 7 Nanometern. Eigentlich sind sehr dünne Metalle in herkömmlichen OLED-Strukturen wegen der geringeren Leitfähigkeit ungünstig. Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements in einem Mikroresonator sind solche dünnen Metallschichten aber vorteilhaft, um die Absorption zu minimieren. Insbesondere transparente Elektroden aus Metallschichten mit Schichtdicken von 7 Nanometern lassen sich sehr gut für OLED-Anwendungen verwenden. Denkbar wäre auch, dass die Leitungsschicht Graphen oder Metall-Nanodrähte, wie beispielsweise Silber (Ag) Nanodrähte, umfasst. Die hohe Leitfähigkeit der zusätzlichen Leiterschicht wird vorzugsweise durch eine hohe Dotierung erzielt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst eine hochdotierte Leitungsschicht insbesondere eine n- oder p-Dotierung größer als 2 wt%, bevorzugt zwischen 5 bis 30 wt% und besonders bevorzugt zwischen 10 und 20 wt%. Durch die hohe Dotierung der Leitungsschicht wird die Leitfähigkeit derselben erhöht, damit die Ladungsträger in vertikaler Richtung wandern, bevor sie in das Emittersystem injizieren. Es hat sich gezeigt, dass dieser Effekt ab einer Leitfähigkeit von 1 S/cm, bevorzugt größer 2 S/cm und besonders bevorzugt von über 1.000 S/cm in effizienter Weise nutzbar ist. Denkbar ist, dass die Leitungsschicht in Schichtdicken zwischen 5 und 150 Nanometern, bevorzugt zwischen 10 und 100 Nanometern und besonders bevorzugt zwischen 10 und 50 Nanometern vorgesehen ist. Das Halbleiterbauelement weist ferner vorzugsweise ein Substrat, wie beispielsweise ein Glassubstrat (insbesondere Dünnglas mit oder ohne Folienverstärkung), eine Folie, ein Metallsubstrat (insbesondere ein Aluminium-Substrat) ein Silizium-Wafer oder auch Sapphiere-Substrat auf. Denkbar wären beispielsweise Polymerfolien aus PET, PEN, PC, PE oder fluorinierte Polymere, wie ETFE. Die Folie hat den Vorteil, dass sie flexibel ausgebildet ist, während Silizium- und Sapphiere vorteilhafterweise eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Alternativ wäre aber auch ein Substrat aus Papier oder aus einem Textil denkbar.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Halbleiterbauelement auf jeder Seite des Emittersystems jeweils eine zusätzliche Leitungsschicht aufweist. In vorteilhafter Weise können sich somit auf beiden Seiten des Emittersystems Ladungsträger, d. h. Elektronen oder Löcher, ausgehend von den Elektroden in lateraler Richtung bewegen, bevor eine vertikale Wanderung und anschließende Rekombination in dem Emittersystem erfolgt. Die laterale Bewegung führt dazu, dass die Ladungsträger zunächst von den Elektroden wegwandern, wodurch die Rekombinationszone gegenüber den Elektroden verschoben oder zumindest in lateraler Richtung ausgeweitet ist. Besonders bevorzugt wandern die Ladungsträger derart weit in lateraler Richtung, dass senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Halbleiterbauelements keine oder nur eine geringfügige Überlappung zwischen Rekombinationszone und Elektroden gegeben ist. Auf diese Weise wird die Absorption von ausgestrahlten Photonen durch die Elektroden möglichst reduziert.
Vorzugsweise umfasst das Emittersystem eine Emissionsschicht und optional wenigstens eine Blockierschicht. Denkbar ist, dass die Emissionsschicht zwischen zwei Blockierschichten angeordnet ist. Auf der einen Seite der Emissionsschicht ist typischerweise eine Loch-Blockierschicht angeordnet, während auf der anderen Seite der Emissionsschicht eine Elektronen-Blockierschicht angeordnet ist. Die Loch-Blockierschicht ist dabei insbesondere auf der Kathodenseite und die Elektroden-Blockierschicht auf der Anodenseite vorgesehen. Die Blockierschichten dienen dazu, die Lichtemissionseffizienz des Halbleiterbauelements zu steigern, indem sie so gewählt werden, dass Ladungsträger durch die jeweilige Blockierschicht in die Emissionsschicht injizieren können aber gleichzeitig nichtstrahlende Rekombinationsprozesse unterdrückt werden, so wie beispielsweise in der Druckschrift DE 100 58 578 A1 beschrieben.
Das Halbleiterbauelement weist ferner vorzugsweise wenigstens eine Transportschicht auf, wobei wenigstens auf einer Seite des Emittersystems die Transportschicht und die zusätzliche Leitungsschicht direkt übereinander angeordnet sind. Vorteilhafterweise ist zwischen der Transportschicht und der angrenzenden Leitungsschicht ein niederohmiger Kontakt, so dass die Ladungsträger von der Leitungsschicht in die Transportschicht gelangen und von dort in das Emittersystem injizieren können. Dies gilt auch für den Fall, dass die Transportschicht und die angrenzende Leitungsschicht verschieden dotiert sind, also entweder ein pn- oder np-Übergang vorliegt. In diesem Fall kann die Leitungsschicht dennoch für den lateralen Stromtransport verwendet werden, weil ein effizienter Tunnelprozess (Zener-Effekt) stattfindet. Typischerweise weist das Halbleiterbauelement auf jeder Seite des Emittersystems eine Transportschicht auf, da erst durch die leitfähige Transportschicht eine effiziente Injektion von Ladungsträgern in das Emittersystem erfolgt. Denkbar ist, dass die Transportschichten eine hohe Dotierung aufweisen und somit einen Bestandteil der zusätzlichen Leitungsschichten bilden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens auf einer Seite des Emittersystems die Elektrode zwischen der zusätzlichen Leitungsschicht und dem Emittersystem angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Elektrode dabei nicht nur zwischen dem Emittersystem und der Leitungsschicht angeordnet, sondern auch zwischen dem Emittersystem und der Transportschicht. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass im Bereich der Elektrode kein direkter Kontakt zwischen Leitungs- oder Transportschicht einerseits und Emittersystem andererseits vorhanden ist, so dass die Injektion von Ladungsträgern in das Emittersystem nur im Elektrodenbereich unterdrückt wird, während außerhalb des Elektrodenbereichs eine effiziente Injektion der Ladungsträger in das Emittersystem erfolgt. Dies verstärkt vorteilhafterweise den Effekt, die Rekombinationszone lateral in einen Bereich des Halbleiterbauelements zu verschieben, der möglichst wenig mit den Elektroden überlappt, damit die in dem Emittersystem erzeugten Photonen beim vertikalen Ausstrahlen nicht durch die Elektroden absorbiert werden. Insbesondere wird somit nicht nur die laterale Ausweitung der Rekombinationszone erzielt, sondern eine wirkliche laterale Verschiebung der Rekombinationszone aus dem Elektrodenbereich. Ein weiterer Vorteil dieses Schichtaufbaus besteht darin, dass durch den unterdrückten Stromfluss im Elektrodenbereich weniger Leistung am Halbleiterbauelement umgesetzt wird und somit die Selbsterwärmung der organischen Schichten reduziert wird. Selbsterwärmung ist ein limitierender Faktor für den Einsatz von hohen Stromdichten in organischen Halbleitern.
Gemäß einer weiteren bevorzugten oder einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Halbleiterbauelement wenigstens eine Isolatorschicht aufweist, welche zwischen der Elektrode und dem Emittersystem angeordnet ist. Eine Verstärkung des vorstehend beschriebenen Effekts, die Rekombinationszone lateral in einen Bereich des Halbleiterbauelements zu verschieben, der möglichst wenig mit den Elektroden überlappt, damit die in dem Emittersystem erzeugten Photonen beim vertikalen Ausstrahlen nicht durch die Elektroden absorbiert werden, kann auch dadurch erzielt oder begünstigt werden, indem zwischen den Elektroden und dem Emittersystem die Isolatorschicht vorgesehen ist. Die Isolatorschicht fungiert für die Ladungsträger als Barriere und unterdrückt somit eine Injektion der Ladungsträger in das Emittersystem im Elektrodenbereich. Damit außerhalb des Elektrodenbereichs die Ladungsträger ungehindert und effizient in das Emittersystem injiziert werden, sind vorzugsweise die Isolatorschicht und die Elektrode senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Halbleiterbauelements im Wesentlichen deckungsgleich ausgebildet. Zudem sorgen die Isolatorschichten dafür, dass ein vertikaler Stromfluss in die Elektrodenflächen nahezu vollständig unterdrückt wird, so dass das Halbleiterbauelement vorteilhafterweise eine höhere Spannungsstabilität aufweist. Die Isolatorschicht umfasst vorzugsweise ein Oxid, bspw. SiC, SiO₂, TiO₂, HfO₂, Al₂O₃, oder ein Nitrid, wie SiN, selbstorganisierte Monoschichten, nicht-leitfähige Polymere, dicke Schichten von organischen Molekülen, Molekülschichten, die eine energetische Stufe einbringen, so dass die Ladungsträger in ihrem Fluss behindert werden, oder sog. „high-bandgap”-Materialien.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zwei Elektroden jeweils eine Längserstreckung parallel zur Haupterstreckungsebene des Halbleiterbauelements aufweisen, wobei die Elektroden relativ zueinander derart angeordnet sind, dass zwischen der Längserstreckung der einen Elektroden und der Längserstreckung der anderen Elektrode ein Winkel größer null, bevorzugt ein Winkel von im Wesentlichen 45 Grad und besonders bevorzugt ein Winkel von im Wesentlichen 90 Grad ausgebildet ist. Denkbar ist beispielsweise, dass die beiden Elektroden über Kreuz angeordnet sind und insbesondere eine Gitterstruktur bilden. Vorteilhafterweise wird die Rekombinationszone in die freien Eckbereiche zwischen den Elektroden (Elektroden über Kreuz) oder in freibleibenden Bereich zwischen den Gitterstrukturen verlegt, in welchen keine Überdeckung durch das Elektrodenmaterial gegeben ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Mikroresonator aufweisend das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement, wobei der Mikroresonator ferner zwei Spiegel aufweist und wobei das Halbleiterbauelement zumindest teilweise zwischen den zwei Spiegeln angeordnet ist.
Da beim erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement die Rekombinationszone gegenüber den Elektroden lateral verschoben ist, werden die emittierten Photonen in erheblich geringerem Umfang von den Elektroden absorbiert, so dass sich eine deutlich höhere Lichtausbeute ergibt, der Mikroresonator eine höhere Güte aufweist und Photonen senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Halbleiterbauelements in beide Richtungen emittiert werden. Durch die Anordnung zwischen zwei hochreflektierenden Spiegeln lässt sich somit ein im Vergleich zum Stand der Technik effizienterer Mikroresonator realisieren. Die Spiegel umfassen einen Metallspiegel und/oder einen dielektrischen Spiegel (auch als Bragg-Spiegel bezeichnet, engl. distributed Bragg reflector, DBR). Vorzugsweise werden dielektrische Spiegel eingesetzt, welche einen höheren Reflexionsgrad als Metallspiegel aufweisen, so dass der Mikroresonator eine höhere Güte aufweist und die Pumpleistung zum Erreichen der Laserschwelle sinkt. Zwischen dem Halbleiterbauelement und jedem Spiegel ist vorzugsweise jeweils eine Zwischenschicht, vorzugsweise mit oder ohne Emittermoleküle angeordnet. Ferner ist denkbar, dass der Mikroresonator neben dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement wenigstens noch ein weiteres erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement aufweist, wobei das Halbleiterbauelement und das weitere Bauelement zwischen den beiden Spiegeln angeordnet sind.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleiterlaser, insbesondere ein elektrisch gepumpter organischer Halbleiterlaser aufweisend den erfindungsgemäßen Mikroresonator.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1a zeigt eine schematische Schnittbildansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1b zeigt eine schematische Aufsicht des Halbleiterbauelements gemäß der beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine schematische Schnittbildansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einer beispielhaften zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine schematische Schnittbildansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einer beispielhaften dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine schematische Schnittbildansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einer beispielhaften vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine schematische Schnittbildansicht eines Halbleiterbauelements gemäß einer beispielhaften fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine schematische Aufsichtsdarstellung eines Halbleiterbauelements gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt eine schematische Schnittbilddarstellung eines Halbleiterbauelements gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt eine schematische Schnittbilddarstellung eines Halbleiterbauelements gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine schematische Schnittbilddarstellung eines Halbleiterbauelements gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1a ist eine schematische Schnittbildansicht eines Halbleiterbauelements 1 einer beispielhaften ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Halbleiterbauelement 1 ist eine organische Leuchtdiode (engl. OLED), die auf einem Substrat 2 in Dünnschichttechnik hergestellt ist. Das bedeutet, dass die verschiedenen organischen Schichten, aus denen das Halbleiterbauelement aufgebaut ist, ganzflächig auf dem Substrat durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), wie bspw. thermisches Verdampfen oder Sputtern, oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD) erzeugt wurden. Denkbar wäre auch ein Aufbringen der Schichten durch „spin-coating”, „blade-coating” und/oder „spray-coating”.
Das Halbleiterbauelement 1 umfasst eine untere Elektrode 3 und eine obere Elektrode 4. Die untere Elektrode 3 stellt insbesondere die Anode dar, während die obere Elektrode 4 die Kathode umfasst. Beide Elektroden 3, 4 umfassen vorzugsweise eine Metallschicht, so dass eine hohe Leitfähigkeit gegeben ist. Zwischen der oberen und der unteren Elektrode 3, 4 ist ein Emittersystem 5 angeordnet. Das Emittersystem 5 umfasst eine Emissionsschicht 6, sowie zwei Blockierschichten 7, 8. Die Emissionsschicht 6 ist zwischen den beiden Blockierschichten 7, 8 angeordnet. Die anodenseitige untere Blockierschicht 8 umfasst eine Loch-Blockierschicht, während die kathodenseitige obere Blockierschicht 7 eine Elektroden-Blockierschicht umfasst. Zuletzt weist das Halbleiterbauelement 1 zwei Transportschichten 9, 10 auf, wobei eine obere Transportschicht 9 zwischen der oberen Elektrode 4 und dem Emittersystem 5 angeordnet ist und eine untere Transportschicht 10 zwischen der unteren Elektrode 3 und dem Emittersystem 6 angeordnet ist.
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden 3, 4 werden an den Elektroden 3, 4 freie Ladungsträger bereitgestellt, d. h. von der Anode Elektronen und von der Kathode Elektronen. Die Transportschichten 9, 10 dienen dazu, diese Ladungsträger von den Elektroden 3, 4 zu dem Emittersystem 5 zu transportieren und deren Injektion in das Emittersystem 5 zu begünstigen. Die obere Transportschicht 9 umfasst dafür eine Loch-Transportschicht 9, um Ladungsträger in Form von Löchern zum Emittersystem 5 zu transportieren, während die untere Transportschicht 10 eine Elektronen-Transportschicht 10 zur Injektion von Elektronen in das Emittersystem 5 umfasst. Die Elektronen und Löcher driften vertikal aufeinander zu und rekombinieren innerhalb der Emissionsschicht 6 miteinander. Dabei bilden sie kurzzeitig einen gebundenen Zustand, den man als Exziton (Elektronen-Loch-Paar) bezeichnet. Beim Zerfall des Exziton wird Licht einer definierten Wellenlänge ausgestrahlt. Die Farbe bzw. Wellenlänge des ausgestrahlten Lichts hängt von der Beschaffenheit des organischen Materials in der Rekombinationszone ab. Der lokale Bereich, in welchem der Großteil der Elektronen und Löcher unter Ausstrahlung von Photonen miteinander rekombinieren, wird in der vorliegenden Beschreibung als Rekombinationszone 13 bezeichnet. Die beiden Blockierschichten 7, 8 dienen dazu, nichtstrahlende Rekombinationsprozesse zu unterdrücken.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die beiden Transportschichten 9, 10 erfindungsgemäß transparent ausgebildet und weisen zudem eine hohe Leitfähigkeit auf, was im vorliegenden Beispiel durch eine hohe Dotierung erreicht wird, wodurch eine erhöhte Leitfähigkeit innerhalb der Transportschichten 9, 10 erzielt wird. Dies führt dazu, dass die Ladungsträger innerhalb der Transportschicht 9, 10 nicht nur in vertikaler Richtung, d. h. senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 des Halbleiterbauelements 1 direkt von der jeweiligen Elektrode 2, 3 zum Emittersystem 5 wandern, sondern auch eine laterale Bewegung parallel zur Haupterstreckungsebene 100 durchführen, da die Leitfähigkeit innerhalb der Transportschichten 9, 10 vergleichsweise groß ist, während das Emittersystem 5 als hochohmige Barriere wirkt. Die Transportschichten 9, 10 sind bilden somit einen Teil von zusätzlichen Leitungsschichten 11, 12, welche die laterale Bewegung der Ladungsträger ermöglichen.
Die laterale Wandung der Ladungsträger führt zu einer Injektion der Ladungsträger in das Emittersystem 5 in Bereiche, welchen nicht mit den Elektroden 2, 3 überlappen. Auch in diesen Bereichen rekombinieren die Ladungsträger miteinander, so dass die Rekombinationszone 13 lateral ausgeweitet ist. Die in diesen Randbereichen der Rekombinationszone erzeugten Photonen können in vertikaler Richtung das Halbleiterbauelement 1 verlassen, ohne dabei auf die Elektroden 3, 4 zu treffen. Die optischen Verluste durch Absorption, Streuung und Auskopplung von Photonen an den Elektroden 3, 4 werden somit reduziert, auch wenn die Elektroden 3, 4 als metallische Schichten realisiert sind.
Zur Erhöhung des Effekts der lateralen Ausweitung der Rekombinationszone 13 in einen Bereich außerhalb der Elektrodenüberdeckung sind beiden Elektroden 3, 4 über Kreuz zueinander angeordnet.
In 1 b ist eine Aufsichtsdarstellung gezeugt, in welcher die rechtwinklige Orientierung der beiden Elektroden 3, 4 zueinander illustriert ist. Diese Anordnung der beiden Elektroden 3, 4 hat den Vorteil, dass sich die Rekombinationszone 13 in den freien Eckbereichen zwischen den Elektroden 3, 4 ausbildet.
In 2 ist eine schematische Schnittbildansicht eines Halbleiterbauelements 1 gemäß einer beispielhaften zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Halbleiterbauelement 1 gemäß der zweiten Ausführungsform gleicht im Wesentlichen dem in
1a illustrierten Halbleiterbauelement 1 gemäß der ersten Ausführungsform, wobei im Unterschied zur ersten Ausführungsform hier die Leitungsschichten 11, 12 und die Transportschichten 9, 10 auf jeder Seite des Emittersystems 5 getrennt voneinander, also separat ausgebildet sind. In beiden Fällen grenzen die Transportschicht 9, 10 und die Leiterschicht 11, 12 unmittelbar aneinander, so dass auf beiden Seiten Ladungsträger von den Leitungsschichten 11, 12 in die Transportschichten 9, 10 gelangen. Im gezeigten Aufbau ist auf beiden Seiten des Emittersystem 5 die Transportschicht 9, 10 in vertikaler Richtung jeweils zwischen der Leitungsschicht 11, 12 und dem Emittersystem 5 angeordnet.

Im vorliegenden Beispiel setzt sich der Schichtaufbau aus folgenden Materialien und Schichtdicken zusammen:

Schicht	Material	Schichtdicke [nm]
Elektroden 3, 4	Aluminium	100 nm
Leitungsschichten 11, 12	C₆₀:W₂(hpp)₄(16 wt%)	10–50 nm
Loch-Transportschicht 9	Spiro-TBB:F₆TCNNQ (8 wt%)	50 nm
Elektronen-Blockierschicht 7	NPB	10–30 nm
Emissionsschicht 6	NPB:Ir(MDQ)₂(acac)	20 nm
Loch-Blockierschicht 8	BAlq₂	10–30 nm
Elektron-Transportsshicht 10	BPhen:Cs	50 nm

In 3 ist eine schematische Schnittbildansicht eines Halbleiterbauelements 1 gemäß einer beispielhaften dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Halbleiterbauelement 1 gemäß der dritten Ausführungsform gleicht im Wesentlichen dem in
2 illustrierten Halbleiterbauelement 1 gemäß der zweiten Ausführungsform, wobei im Unterschied zur zweiten Ausführungsform hier eine veränderte Schichtreihenfolge vorgesehen ist.
Die Transport- und Leitungsschichten 9, 10, 11, 12 sind nicht mehr zwischen den Elektroden 3, 4 und dem Emittersystem 5 angeordnet, sondern die beiden Elektroden 3, 4 sind jeweils zwischen den Transportschichten 9, 10 und dem Emittersystem 5 angeordnet.
Der illustrierte Schichtaufbau hat den Vorteil, dass im Bereich der Elektroden 3, 4 kein direkter Kontakt zwischen dem Emittersystem 5 und den Transportschichten 9, 10 vorhanden ist.
Die direkte Injektion von Ladungsträgern in das Emittersystem 5 ist im Bereich der Elektroden 3, 4 somit stark unterdrückt. Die Ladungsträger wandern großenteils über die Transportschichten 9, 10 und die zusätzlichen Leitungsschichten 11, 12 in lateraler Richtung in einen Bereich, in welchem die Transportschichten 9, 10 einen direkten Kontakt zum Emittersystem 5 aufweisen. Dieser Bereich liegt zwangsläufig außerhalb der Überdeckung durch die Elektroden 3, 4. In diesem Bereich wird durch den direkten Kontakt zwischen Transportschichten 9, 10 und Emittersystem 5 die Ladungsträger in das Emittersystem injiziert und es bildet sich die Rekombinationszone 13 aus. Die Rekombinationszone 13 ist somit nicht nur lateral ausgeweitet, sondern lateral aus dem Bereich der Elektroden 3, 4 verschoben. Die in der lateral gegenüber den Elektroden 3, 4 verschobene Rekombinationszone 13 erzeugten Photonen können das Halbleiterbauelement 1 sodann in vertikaler Richtung verlassen, ohne dabei auf die Elektroden 3, 4 zu treffen und absorbiert oder gestreut zu werden. Zudem erfolgt ein Stromfluss nur an den äußeren Kanten der Elektroden 3, 4, so dass sich die im Halbleiterbauelement 1 umgesetzte Leistung reduziert und weniger Joulesche Wärme erzeugt wird. Die Emittersystem 5 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel wahlweise entweder nur die Emissionsschicht 6 oder die Emissionsschicht 6 nebst jeweils einer Blockierschicht 7, 8 auf jeder Seite der Emissionsschicht 6.
In 4 ist eine schematische Schnittbildansicht eines Halbleiterbauelements 1 gemäß einer beispielhaften vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Halbleiterbauelement 1 gemäß der vierten Ausführungsform gleicht im Wesentlichen dem in 3 illustrierten Halbleiterbauelement 1 gemäß der dritten Ausführungsform, wobei im Unterschied zur dritten Ausführungsform hier zusätzliche Isolatorschichten 14, 15 vorgesehen sind. Die Isolatorschichten 14, 15 sind senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 im Wesentlichen deckungsgleich mit den Elektroden 3, 4 ausgebildet und auf jeder Seite des Emittersystems 5 zwischen der Elektrode 3, 4 und dem Emittersystem 5 angeordnet. Die Isolatorschichten 14, 15 blockieren eine direkte Injektion von Ladungsträgern von den Elektroden 3, 4 in das Emittersystem 5 und verstärken somit die laterale Wanderung der Ladungsträger durch die Transport- und Leiterschichten 9, 10, 11, 12, wodurch die laterale Verschiebung der Rekombinationszone 13 gegenüber den Elektroden 3, 4 noch effektiver realisiert wird. Insbesondere wird der vertikale Stromfluss in die Elektrodenfläche vollständig unterdrückt, so dass das Halbleiterbauelement 1 zudem eine höhere Spannungsstabilität aufweist.
In 5 ist eine schematische Schnittbildansicht eines Halbleiterbauelements 1 gemäß einer beispielhaften fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Halbleiterbauelement 1 gemäß der fünften Ausführungsform gleicht im Wesentlichen dem in 3 illustrierten Halbleiterbauelement 1 gemäß der dritten Ausführungsform, wobei im Unterschied zur dritten Ausführungsform hier zusätzliche Isolatorschichten 14, 15 vorgesehen sind, die auf beiden Seiten des Emittersystems 5 jeweils zwischen Emittersystem 5 und Transportschicht 9, 10 angeordnet sind. Die Isolatorschichten 14, 15 dienen dazu, einen direkten vertikalen Stromfluss zwischen den Elektroden 3, 4 und dem Emittersystem 5 zu unterbinden. Vorteilhafterweise bildet sich bei diesem Schichtaufbau in einem dem Emittersystem 5 zugewandten Bereich der Transportschichten 9, 10 jeweils ein hoch leitfähiger Kanal 16 ausbildet, durch welchen vorteilhafterweise ein effizienter lateraler Ladungsträgertransport stattfindet.
In 6 ist eine schematische Aufsichtsdarstellung eines Halbleiterbauelements 1 gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die sechste Ausführungsform im Wesentlichen der in 1b gezeigten ersten Ausführungsform gleicht, wobei die obere und untere Elektrode 3, 4 nicht über Kreuz sondern in einer Gitterstruktur angeordnet sind. Hierdurch wird die Rekombinationszone 13 in die freibleibenden Bereiche zwischen den Gitterstrukturen verlegt, in welchen keine Überdeckung durch Elektrodenmaterial gegeben ist. Vorteilhafterweise kann somit diese „aktive” Leuchtfläche in den freibleibenden Bereichen vergrößert werden.
In 7 ist eine schematische Schnittbilddarstellung eines Mikroresonators 17 gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Der Mikroresonator 17 umfasst ein Glassubstrat 2, auf welches in Dünnschichttechnologie zwei hochreflektive Spiegel 18, 19 aufgebracht wurden. Die beiden Spiegel 18, 19 umfassen vorzugsweise dielektrische Bragg-Spiegel. Zwischen den beiden Spiegeln 18, 19 ist ein Halbleiterbauelement 1 gemäß einer der in 1 bis 6 gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angeordnet (ohne nochmaliges Substrat 2).
Die Photonen können das Halbleiterbauelement 1 in vertikaler Richtung verlassen, ohne dass zu hohe Absorptions- und Streuverluste in den Elektroden 3, 4 auftreten, da die Rekombinationszone 13 lateral verschoben ist (siehe oben). Die emittierten Photonen können somit direkt auf die Spiegel ausgestrahlt werden und werden dort reflektiert. Das Halbleiterbauelement 1 kann durch den vorstehend erläuterten Schichtaufbau mit hohen Stromdichten betrieben werden, so dass die Realisierung eines elektrisch gepumpten organischen Halbleiterlasers möglich ist.
In 8 ist eine schematische Schnittbilddarstellung eines Mikroresonators 17 gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die achte Ausführungsform im Wesentlichen der in 7 gezeigten siebten Ausführungsform gleicht, wobei hier zusätzlich zwei organische Zwischenschichten 20, 21 vorgesehen sind, die auf jeder Seite des Halbleiterbauelements 1 zwischen dem Halbleiterbauelement 1 und dem Spiegel 18, 19 angeordnet sind.
In 9 ist eine schematische Schnittbilddarstellung eines Mikroresonators 17 gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die neunte Ausführungsform im Wesentlichen der in 8 gezeigten achte Ausführungsform gleicht, wobei hier nicht nur einziges Halbleiterbauelement 1 sondern neben dem einen Halbleiterbauelement 1 noch ein weiteres Halbleiterbauelement 1' vorgesehen ist. Optional sind zwischen den beiden organischen Zwischenschichten 20, 21 noch weitere Halbleiterbauelemente vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1: Halbleiterbauelement
2: Substrat
3, 4: Elektrode
5: Emittersystem
6: Emissionsschicht
7, 8: Blockierschicht
9, 10: Transportschicht
11, 12: Leitungsschicht
13: Rekombinationszone
14, 15: Isolatorschicht
16: Hochleitfähiger Kanal
17: Mikroresonator
18, 19: Spiegel
20, 21: Zwischenschichten
100: Haupterstreckungsebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009048604 A1 [0002]
DE 10162783 A1 [0009]
DE 10058578 A1 [0016]

Claims

Halbleiterbauelement (1), insbesondere organische Leuchtdiode, aufweisend zwei Elektroden (3, 4) und ein organisches Halbleitermaterial umfassendes Emittersystem (5), wobei das Halbleiterbauelement (1) eine innerhalb des Emittersystems (5) liegende Rekombinationszone (13) umfasst, in welcher von den Elektroden (3, 4) injizierte Elektronen und Löcher unter Ausstrahlung von Photonen miteinander rekombinieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (1) wenigstens eine hochleitfähige und zumindest teilweise transparente Leitungsschicht (11, 12) zur lateralen Ausweitung oder Verschiebung der Rekombinationszone (13) gegenüber den Elektroden (3, 4) aufweist.
Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 1, wobei das Halbleiterbauelement (1) auf jeder Seite des Emittersystems (5) jeweils eine zusätzliche Leitungsschicht (11, 12) aufweist.
Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Emittersystem (5) eine Emissionsschicht (6) und optional wenigstens eine Blockierschicht (7, 8) umfasst.
Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement (1) wenigstens eine Transportschicht (9, 10) aufweist, wobei wenigstens auf einer Seite des Emittersystems (5) die Transportschicht (9, 10) und die zusätzliche Leitungsschicht (11, 12) direkt übereinander angeordnet sind.
Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zusätzliche Leitungsschicht (11, 12) entlang der Haupterstreckungsebene (100) des Halbleiterbauelements (1) über die Elektrode (3, 4) hinausragt.
Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens auf einer Seite des Emittersystems (5) die Elektrode (3, 4) zwischen der zusätzlichen Leitungsschicht (11, 12) und dem Emittersystem (5) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement (1) wenigstens eine Isolatorschicht (14, 15) aufweist, welche zwischen der Elektrode (3, 4) und des Emittersystems (5) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 7, wobei senkrecht zur Haupterstreckungsebene (100) des Halbleiterbauelements (1) die Isolatorschicht (14, 15) und die Elektrode (3, 4) im Wesentlichen deckungsgleich ausgebildet sind.
Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zwei Elektroden (3, 4) jeweils eine Längserstreckung parallel zur Haupterstreckungsebene (100) des Halbleiterbauelements (1) aufweisen, wobei die Elektroden (3, 4) relativ zueinander derart angeordnet sind, dass zwischen der Längserstreckung der eine Elektroden (3, 4) und der Längserstreckung der anderen Elektrode (3, 4) ein Winkel größer null, bevorzugt ein Winkel von im Wesentlichen 45 Grad und besonders bevorzugt ein Winkel von im Wesentlichen 90 Grad ausgebildet ist.
Halbleiterbauelement (1) nach Anspruch 9, wobei die beiden Elektroden (3, 4) über Kreuz angeordnet sind und insbesondere eine Gitterstruktur bilden.
Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leitungsschicht (11, 12) eine hochdotierte Molekülschicht, insbesondere n-dotiertes C₆₀, leitfähiges Polymer, leitfähiges Oxid, dünne transparente Metallschichten, Graphen oder Metall-Nanodrähte umfasst.
Mikroresonator (17) aufweisend ein Halbleiterbauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mikroresonator (17) ferner zwei Spiegel (18, 19) aufweist und wobei das Halbleiterbauelement (1) zwischen den beiden Spiegeln (18, 19) angeordnet ist.
Mikroresonator (17) nach Anspruch 12, wobei zwischen dem Halbleiterbauelement (1) und jedem Spiegel (18, 19) jeweils eine Zwischenschicht (20, 21), vorzugsweise mit oder ohne Emittermoleküle angeordnet ist.
Mikroresonator (17) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei der Mikroresonator (17) das Halbleiterbauelement (1) und ein weiteres Halbleiterbauelement (1') nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist, wobei das Halbleiterbauelement (1) und das weitere Halbleiterbauelement (1') zwischen den beiden Spiegeln (18, 19) angeordnet sind.
Halbleiterlaser, insbesondere ein elektrisch gepumpter organischer Halbleiterlaser aufweisend einen Mikroresonator (17) nach einem der Ansprüche 12 bis 14.