DE102021212147A1

DE102021212147A1 - Optoelektronische vorrichtung und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE102021212147A1
Application number: DE102021212147.0A
Authority: DE
Inventors: Laura Kreiner; Wolfgang Schmid; Martin Hetzl
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-10-27
Filing date: 2021-10-27
Publication date: 2023-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung umfassend ein Array aus wenigstens zwei nebeneinander angeordneten optoelektronischen Bauelementen, die ausgestaltet sind, Licht aus einer gemeinsamen Hauptabstrahlebene abzustrahlen. Eine für das von den wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen abgegebene Licht im wesentlichen transparente Schicht, ist auf der Hauptabstrahlebene angeordnet. Die Dicke ist so gewählt, dass diese zur Ausbildung einer stabilen Wellenfront des von den wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen abgegebenen Lichts ausreichend ist. Schließlich ist eine Metalinse über der transparenten Schicht und über zumindest einer der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen angeordnet und ausgestaltet, das von dem zumindest einen der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen abgegebene Licht in einen vorgegebenen Winkelbereich abzulenken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
HINTERGRUND
In verschiedenen Anwendungen werden heutzutage Arrays von Pixeln eingesetzt, die wiederum individuell ansteuerbar sind. Dabei kann ein derartiges Array sowohl aus einzelnen LEDs aufgebaut sein, die in Reihen und Spalten auf einem Backplane angeordnet werden. Nachteil hiervon ist die Größe, da derartige Pixel nicht beliebig verkleinerbar mit der erforderlichen Präzision ausgerichtet und befestigt werden können.
Als eine denkbare Alternative wird in einigen Anwendungen vorgeschlagen, ein Array von Pixeln herzustellen, bei denen die einzelnen optoelektronischen Bauelemente als Ganzes integriert erzeugt werden. Dabei sind die einzelnen optoelektronischen Bauelemente voneinander elektrisch isoliert aber auf einem gemeinsamen Substrat hergestellt, sodass diese sich individuell ansteuern lassen. Derartige Arrays werden auch als pixelierte Arrays bezeichnet und in einer Reihe von verschiedenen Anwendungen eingesetzt.
In einigen Anwendungen wird nun zudem gefordert, dass die einzelnen optoelektronischen Bauelemente bzw. die einzelnen Pixel eine bestimmte Abstrahlcharakteristik zeigen. Während es für die Anwendung von Vorteil ist, wenn die optoelektronischen Bauelemente mit einem möglichst engen Winkel senkrecht zur Oberfläche abstrahlen, haben reale Bauteile oft ein breiteres Fernfeld. Dieses kann zudem Maxima bei größeren Winkeln aufweisen.
Bei zunehmend kleineren Arrays, d. h. einer kleineren Fläche der einzelnen optoelektronischen Bauelemente wird die Platzierung und auch die Ausgestaltung von Optiken auf der Oberfläche der Bauelemente zur Einstellung der gewünschten Abstrahlcharakteristik zunehmend aufwendig.
Es besteht somit das Bedürfnis, für die unterschiedlichen Anwendungen Vorrichtungen anzugeben, bei der die Abstrahlcharakteristik auf einfache Weise eingestellt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diesem Bedürfnis wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche Rechnung getragen. Weiterführungen und Ausgestaltungsformen des vorgeschlagenen Prinzips sind dabei in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfinder haben erkannt, dass für eine Verbesserung der Abstrahlcharakteristik einzelner optoelektronischer Bauelemente, insbesondere in einem pixelierten Array als Teil einer entsprechenden Vorrichtung auch Metalinsen geeignet eingesetzt werden können. Diese lassen sich mittlerweile auf verschiedene Arten und Weisen ausgestalten, sodass das Licht beispielsweise in den für die jeweilige Anwendung relevanten Winkelkegel fokussierbar ist. Beispielsweise können diese in einem Winkelbereich von ±15° senkrecht zu einer Oberflächennormale d. h. zu einer Hauptabstrahlebene liegen. Darüber hinaus, und dies ist bei der Verwendung von Metalinsen ein besonders relevanter Gesichtspunkt, lassen sich diese zudem mit weiteren Ansätzen zur optischen und elektrischen Trennung einzelner Pixel in einem integrierten Array von mehreren optoelektronischen Bauelementen kombinieren. Dadurch wird es möglich, nicht nur die gewünschte Abstrahlcharakteristik einzustellen, sondern zudem eine hohe Auskoppeloptikeffizienz bei gleichzeitig geringem optischen bzw. elektrischen übersprechen zu erreichen. Dadurch kann die Größe derartig pixelierter Arrays noch weiter reduziert, bzw. die Leuchtdichte gesteigert werden.
In einer Ausgestaltung schlagen die Erfinder nun eine optoelektronische Vorrichtung vor, die ein Array aus wenigstens zwei nebeneinander angeordneten optoelektronischen Bauelementen umfasst. Diese sind ausgestaltet Licht aus einer gemeinsamen Hauptabstrahlebene abzugeben. Die Hauptabstrahlebene kann dabei eine Oberfläche des Arrays aus den wenigstens zwei nebeneinander angeordneten optoelektronischen Bauelementen umfassen. Auf diese Hauptabstrahlebene ist nun eine für das von den Bauelementen abgegebene Licht im wesentlichen transparente Schicht angeordnet. Die Dicke dieser Schicht ist so gewählt, dass sie zur Ausbildung einer stabilen Wellenfront des von den Bauelementen abgegebenen Lichts ausreichend ist. Mit anderen Worten ist die im wesentlichen transparente Schicht ausreichend dick, sodass sich an der von der Hauptabstrahlebene abgewandten Seite der transparenten sticht im Wesentlichen ein Fernfeld des von den Bauelementen abgegebenen Lichts einstellt. Auf der transparenten Schicht ist nun Metalinse angeordnet. Diese liegt über mindestens einer der beiden optoelektronischen Bauelemente und insbesondere flächig über beiden optoelektronischen Bauelementen. Die Metalinse ist ausgestaltet, von dem zumindest einen der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente abgegebenes Licht in einen vorgegebenen Winkelbereich abzulenken.
Metalinsen sind neuartige optische Bauelemente, die Licht nicht wie bei herkömmlichen Linsen einfach fokussieren, sondern auf nanostrukturierten Oberflächen beruhen. Die Oberfläche erzeugt so einen Laufzeitunterschied des einfallenden Lichts, sodass sich eine konstruktive bzw. destruktive Interferenz einstellt und damit eine unterschiedliche Anwendung realisierbar ist. Auf diese Weise kann nicht nur der Winkelbereich eingestellt werden, sondern die Oberfläche der Metalinse kann auch so gestaltet werden, dass sie Funktionalitäten von anderen optischen Komponenten nachbildet. Diese können beispielsweise Polarisationsfilterbeugungsgitter, die oben angesprochene Fokussierung, oder auch Defokussierungslinsen und Strahlteiler sein.
Die optoelektronischen Bauelemente können in einigen Ausführungen als pLEDs ausgebildet sein. pLEDs sind Bauelemente mit einem Durchmesser im Bereich kleiner als 70µm und insbesondere kleiner als 50µm und ganz besonders kleiner als 20µm. Ein weiterer Trend zu kleineren Größen ist vorhanden, so dass unter den Begriff insbesondere pLEDs fallen, die kleiner als 5µm sind und beispielsweise von 500nm bis 5µm reichen. Spezielle Ausführungen von pLEDs liegen im Bereich zwischen 400nm und 3µm oder sogar noch geringer. Aufgrund der geringen Größe bedingt die Herstellung, Prozessierung und weitere Verarbeitung von pLEDs verschieden Herausforderungen, die in dieser Anmeldung angesprochen und gelöst werden. Für den Zweck der Vereinfachung werden die Begriffe optoelektronische Bauelemente in und pLEDs synonym verwendet.
In einer Ausgestaltung umfasst die Metalinse ein lichtdurchlässiges Trägermaterial, auf dem unterschiedlich dimensionierte Elemente aufgebracht sind. Diese sind derart ausgestaltet, dass die einzelnen Lichtwellen an diesen Elementen unterschiedlich stark verzögert werden. Dadurch erfolgt entlang der Oberfläche der Metalinse eine Überlagerung der Lichtwellen in destruktiver bzw. konstruktiver Weise zu neuen Wellenfronten mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen.
Zur Bereitstellung einer derartigen optischen Funktionalität ist vorgesehen, dass die einzelnen Elemente der Metalinse deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des von den optoelektronischen Bauelementen abgegebenen Lichts. Die einzelnen Elemente können dabei in einigen Ausführungen aus einem Metall mittels hochauflösender Lithographieverfahren hergestellt werden.
Mit der vorgeschlagenen optoelektronischen Vorrichtung können nicht nur die gewünschten Abstrahleigenschaften eines Arrays mit mehreren optoelektronischen Bauelementen eingestellt werden, sondern diese lassen sich zudem auch aufgrund der verwendeten Metalinse deutlich schmaler ausgestalten. Die Dicke der transparenten Schicht auf der Oberfläche zur Ausbildung einer möglichst stabilen Wellenfront für die Metalinse wird so durch die flache Ausgestaltung der Metalinse wieder kompensiert. In einigen Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass ein Abstand zwischen der Hauptabstrahlebene und der Metalinse so gewählt ist, dass die Metalinse im Fernfeld des von den Bauelementen abgegebenen Lichts liegt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es zudem möglich, Abstrahlcharakteristiken für die einzelnen optoelektronischen Bauelemente eines Arrays einzustellen. Beispielsweise ist es denkbar, das von einem optoelektronischen Bauelement abgegebene Licht in einen ersten Winkelbereich abzustrahlen, das von einem benachbarten zweiten optoelektronischen Bauelement abgegebene Licht in einen anderen Winkelbereich. Auf diese Weise lassen sich Lichtkegel bzw. Abstrahlcharakteristiken erzeugen, die an einem Ziel lediglich teilweise bzw. auch gar nicht überlappen.
Zu einer weiteren Verbesserung der Abstrahlcharakteristiken lassen sich weitere Maßnahmen mit der vorgeschlagenen optoelektronischen Vorrichtung kombinieren.
In einigen Aspekten ist es beispielsweise denkbar, zwischen den wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen ein optisches bzw. auch ein optisches und elektrisches Trennelement anzuordnen. In letzterem Fall können die Bauelemente somit elektrisch voneinander getrennt werden, sodass diese individuell ansteuerbar sind. In beiden Fällen verhindert das Trennelement ein optisches Übersprechen zwischen den zwei benachbarten optoelektronischen Bauelementen, sodass die Formung der Abstrahlcharakteristik durch die Metalinse verbessert wird.
Dabei kann das optische Trägerelement in dem Halbleitermaterial der optoelektronischen Bauelemente selbst angeordnet sein. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das optische bzw. optische und elektrische Trennelement sich auch zumindest teilweise in die im wesentlichen transparente Schicht erstrecken. Das optische bzw. optische und elektrisches Trennelement reicht somit innerhalb eines Materials der optoelektronischen Bauelemente bis zu der transparenten Schicht und beispielsweise auch bis zu der Grenzfläche der transparenten Schicht und der Metalinse.
In einer anderen Ausgestaltung, umfasst lediglich die im wesentlichen transparente Schicht ein optisches Trennelement. Dessen virtuelle Verlängerung liegt zwischen den wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen. Diese Ausgestaltung mag zwar in einigen Anwendungen eine geringere Trennung eines optischen Übersprechens bewirken, lässt sich jedoch deutlich einfacher im Herstellungsprozess realisieren.
Das optische Trennelement umfasst in einigen Aspekten dabei ein hochreflektives Material, insbesondere ein hochreflektives Metall, sodass Licht, welches in einer aktiven Zone der optoelektronischen Bauelemente erzeugt wird, von diesem reflektiert und in Richtung auf die Metalinse abgestrahlt wird. Um einen elektrischen Kurzschluss zu vermeiden, ist das reflektive Metall in einigen Ausgestaltungen von einem isolierenden transparenten Material umgeben. Dieses kann beispielsweise aus Siliziumdioxid bestehen. Andere isolierende Materialien sind in dieser Anmeldung ebenfalls angegeben.
Bei einem größeren Array mit einer Vielzahl von optoelektronischen Bauelementen ist in einigen Aspekten vorgesehen, als optisches Trennelement ein isoliertes Metallgitter zu verwenden, welches jeweils die wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente umgibt. Das isolierte Metallgitter kann während des Herstellungsprozesses über grafische Verfahren erzeugt werden. Dabei ist es möglich, das isolierte Metallgitter sowohl in dem Material der optoelektronischen Bauelemente vorzusehen, als auch in einigen Aspekten das Metallgitter in der im wesentlichen transparenten Schicht, d. h. oberhalb der optoelektronischen Bauelemente anzuordnen.
Die im wesentlichen transparente Schicht kann aus verschiedenen Materialien gebildet sein. Beispiele hierfür sind SiO2, SiN, TiO, NbO, TaO, A1203 und andere. Ebenso sind transparente elektrisch leitfähige Materialen möglich, beispielsweise ITO. In diesem Fall kann vorgesehen sein, die ITO-Schicht als gemeinsamen elektrischen Kontakt für die elektrische Kontaktierung der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente zu verwenden. In einem solchen Fall bildet die transparente ITO Schicht somit einen elektrischen Kontakt für die Bauelemente.
Weitere Aspekte beschäftigen sich mit der Ausgestaltung der Metalinse. Diese ist in einigen Aspekten ausgeführt, Licht einer ersten Polarisationsrichtung, von den wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente abgegeben, in jeweils eine erste Raumrichtung abzulenken. Licht der wenigstens zwei Bauelemente mit einer zweiten von der ersten unterschiedlichen Polarisationsrichtung wird in eine zweite Raumrichtung abgelenkt. Dadurch ist es möglich, Metalinsen auszuformen, die Licht unterschiedlicher Polarisationsrichtungen jeweils in unterschiedliche Raumrichtungen abbildet. Dies kann für die beiden optoelektronischen Bauelemente gemeinsam aber auch getrennt erfolgen. Durch nachgeschaltete Optiken kann die Richtung in einem der Pfade erneut gedreht und anschließend wieder mit dem anderen Pfad überlagert werden. Auf diese Weise lässt sich die Intensität von polarisationsabhängigen Optiken gegenüber konventionellen Lösungen erhöhen.
Eine weitere Maßnahme, um die Abbildungsqualität zu verbessern besteht darin, eine möglichst ebene Wellenfront des von den optoelektronischen Bauelementen abgegebenen Lichts auf die Metalinse treffen zu lassen. Dies wird zum einen durch die bereits erwähnte Dicke der im wesentlichen transparenten Schicht erreicht. Zum anderen können hierzu weitere oder anstatt der transparenten Schicht auch andere Maßnahmen vorgesehen werden. In einigen Ausgestaltungen umfasst demnach die optoelektronische Vorrichtung einen winkelselektiven Spiegel. Dieser ist zwischen der Hauptabstrahlebene und der Metalinse angeordnet und ausgestaltet, auftreffendes Licht in einem Winkel kleiner als einem Grenzwinkelbereich durchzulassen und andernfalls zu reflektieren. Unter dem Begriff Grenzwinkelbereich wird ein einzelner Grenzwinkel oder auch ein kleinerer Winkelbereich verstanden bei dem der wellenlängenselektive Spiegel von einer großen Transmission zu einer starken Reflexion wechselt. Üblicherweise beträgt dieser Bereich bei DBR Spiegeln einige wenige Winkelgrad. Ein derartiger Grenzwinkelbereich liegt beispielsweise im Bereich von 25 ° bis 30°.
Mit anderen Worten wird ein von den optoelektronischen Bauelementen erzeugtes Licht dann durch den winkelselektiven Spiegel durchgelassen, wenn der Winkel zur Normalen der Spiegelebene kleiner als eine bestimmter Grenzwinkelbereich ist. Ist er größer wird er hingegen reflektiert und auf das optoelektronisches Bauelement zurückgestrahlt. In einigen Ausführungen kann dabei der winkelselektive Spiegel Teil der transparenten Schicht sein bzw. in dieser angeordnet werden. In einigen Ausgestaltungen ist der winkelselektive Spiegel ein DBR Spiegel.
Zudem ist es in einigen Aspekten zweckmäßig, wenn die Hauptabstrahlebene des Arrays diesbezüglich aufgeraut ist. Eine raue Oberfläche der Hauptabstrahlebene des Arrays streut das von dem DBR Spiegel zurückreflektierte Licht und ermöglicht so eine erneute Abstrahlung unter einem nunmehr kleineren Winkel. Alternativ kann auf der Hauptabstrahlebene auch eine zusätzliche Schicht aufgebracht sein, die eine erhöhte Streuung bewirkt.
Optoelektronischen Bauelemente der vorgeschlagenen Art senden jedoch auch Licht entgegengesetzt zur Hauptabstrahlebene aus. Zur Reduzierung dieser nicht gewünschten Abstrahlung ist in einigen Aspekten eine zusätzliche reflektierende Schicht auf der der Hauptabstrahlebene abgewandten Seite des Arrays aufgebracht. In einigen Aspekten ist diese reflektierende Schicht durch ein reflektierendes Metall gebildet. In anderen Aspekten ist die reflektierende Schicht mittels einer photonischen Struktur realisiert.
Ein Aspekt des vorgeschlagenen Prinzips betrifft die Erzeugung einer möglichst ebenen Wellenfront. Für eine Verbesserung dieser Wellenfront ist es möglich, dass eine laterale Ausdehnung eines der optoelektronischen Bauelemente kleiner ist als der Abstand zwischen der Hauptabstrahlebene und der Metalinse. Ebenso bedeutet dies, dass eine laterale Ausdehnung auch kleiner ist als der Abstand zwischen einer aktiven Zone des optoelektronischen Bauelements und der jeweiligen Metalinse. Mit anderen Worten ist in diesen Aspekten eine besonders hohes Aspektverhältnis zwischen der Breite des Bauelements und dessen Höhe vorgesehen, wobei die Höhe hauptsächlich durch den Abstand zwischen der Hauptabstrahlebene und der Metalinse gebildet wird.
Andere Aspekte der vorliegenden Anmeldung beschäftigen sich mit einem Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung.
Dabei wird in einem ersten Schritt ein Array mit wenigstens zwei nebeneinander angeordneten optoelektronischen Bauelementen bereitgestellt. Die Bauelemente sind ausgestaltet, in einem Betrieb Licht aus einer gemeinsamen Hauptabstrahlebene abzustrahlen. Sodann wird eine Abstandsschicht auf der gemeinsamen Hauptabstrahlebene ausgebildet, die zumindest teilweise für das von den wenigstens zwei nebeneinander angeordneten Bauelementen abgegebene Licht transparent ist. Die Abstandsschicht weist eine Dicke auf, die ausreichend groß ist zur Ausbildung einer stabilen Wellenfront des von den wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen abgegebenen Lichts.
Anschließend wird eine Metalinse über zumindest einem der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente ausgebildet. Insbesondere kann sich die Metalinse über alle optoelektronischen Bauelemente des pixelierten Arrays erstrecken. Die Metalinse ist dabei ausgestaltet, das von dem zumindest einen optoelektronischen Bauelement abgegebenen Licht in einen vorgegebenen Winkelbereich abzulenken. Auf diese Weise lässt sich ein pixeliertes Array erzeugen, welches sich aufgrund der verwendeten Metalinsenstruktur durch eine besonders geringe Dicke bzw. Höhe auszeichnet. Zusätzlich erlaubt die Metalinse die Erzeugung von stark kollimierten Licht auch bei sehr kleinen optoelektronischen Bauelementen bzw. sehr kleinen pixelierten Arrays. Die Verwendung aufwendig konstruierter konventioneller Linsen kann durch die Benutzung von Metalinsen, welche mit fotolithografischen Verfahren hergestellt sind, reduziert werden.
In einem Aspekt ist der Abstand zwischen der Hauptabstrahlebene und der Metalinse so gewählt, dass die Metalinse im Fernfeld des von dem zumindest einen der beiden optoelektronischen Bauelement abgegebenen Lichts liegt. Dies bewirkt, dass der Metalinse eingangsseitig vor allem möglichst ebene Wellenfronten zugeführt werden.
In einem Aspekt umfasst das Bereitstellen eines Arrays das Erzeugen einer Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone, die zwischen einer ersten Halbleiterschicht eines ersten Dotiertyps und einer zweiten Halbleiterschicht eines zweiten Dotiertyps angeordnet ist. Die Halbleiterschichtenfolge kann im Verlauf ihrer Ausbildung mit verschiedenen aktiven Zonen ausgestaltet werden, die einzeln durch die verschiedenen Halbleiterschichten des ersten bzw. zweiten Dotiertyps ansteuerbar sind. Auf diese Weise wird ein Array mit individuell ansteuerbaren optoelektronischen Bauelementen geschaffen.
In einem Aspekt wird ein erster Kontakt für jedes dieser wenigstens zwei nebeneinander angeordneter optoelektronischer Bauelemente ausgebildet. Ein zweiter Kontakt kann nun entweder als gemeinsamer Kontakt ausgeführt sein oder auch als individueller Kontakt für die jeweiligen optoelektronischen Bauelemente.
Zur weiteren Verbesserung der Abstrahlcharakteristik der Metalinse ist in einigen Aspekten ein optisches bzw. ein elektrisches und optisches Trennelement vorgesehen. In einigen Aspekten wird dieses in der Halbleiterschichtenfolge zwischen einem ersten und einem zweiten der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente erzeugt. Das optische bzw. elektrische und optische Trennelement kann dabei ein reflektierendes Material umfassen, welches wiederum von einer isolierenden Schicht umgeben ist. Das reflektierende Material ist beispielsweise ein Metall, die isolierende Schicht ist hingegen transparent und umfasst beispielsweise Siliziumdioxid. In einigen alternativen Ausgestaltungsformen wird ein optisches Trennelement lediglich in der Abstandsschicht ausgebildet, derart, dass deren virtuelle Verlängerung zwischen zwei benachbarten Bauelementen der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente liegt. Das optische Trennelement kann auch hier ein reflektierendes Material umgeben von einer isolierenden Schicht aufweisen.
Die elektrischen bzw. optischen Trennelemente werden in der Halbleiterschichtenfolge bzw. der Abstandsschicht mit gängigen fotografischen Verfahren erzeugt. In einigen Aspekten kann das Trennelement das jeweilige optoelektronische Bauelement wie ein schachbrettartiges Muster von allen Seiten umschließen, sodass das Trennelement im Wesentlichen ein isoliertes Metallgitter ausbildet, wobei das im Trennelement enthaltene Metall als Reflektormaterial für das von den Bauelementen abgegebene Licht dient.
Eine weitere Verbesserung zur Erzeugung möglichst ebener Wellenfronten besteht in der Erzeugung eines wellenlängenselektiven Spiegels in der Abstandsschicht bzw. zwischen der Hauptabstrahlebene und der Metalinse. Ein wellenlängenselektiver Spiegel ist ausgestaltet, Licht, das mit einem Winkel kleiner als ein Grenzwinkelbereich bezogen auf eine Normale des Spiegels einfällt im Wesentlichen durchzulassen. Hingegen wird Licht, welches mit einem größeren Winkel als der Grenzwinkelbereich bezogen auf die Normale des Spiegels auftrifft, im Wesentlichen reflektiert. In einigen Aspekten wird als wellenlängenselektiver Spiegel ein DBR Spiegel benutzt.
Um das von einem derartigen Spiegel reflektierte Licht dennoch nutzen zu können, wird in einigen Aspekten die der Abstandsschicht zugewandte Oberfläche des Arrays nach dem Aufbringen der Abstandsschicht bzw. vor dem Aufbringen des wellenlängenselektiven Spiegels aufgeraut. Alternativ kann hierzu auch eine aufgeraute transparente Schicht zwischen der Abstandsschicht und der der Abstandsschicht zugewandten Oberfläche des Arrays ausgebildet werden. Auf diese Weise lässt sich ein von dem wellenlängenselektiven Spiegel reflektierter Lichtanteil an der aufgerauten Schicht erneut streuen und kann so unter einem anderen kleineren Winkel auf den Spiegel treffen.
Ein anderer Aspekt betrifft die erneute Nutzung von Licht, welches von der aktiven Zone entgegen der Richtung der Abstandsschicht abgestrahlt wird. So kann in einigen Aspekten auf einer der Abstandsschicht abgewandten Seite des Arrays eine reflektierende Schicht aufgebracht werden. Diese erlaubt es, Licht, welches in die entgegengesetzte Richtung der Abstandschicht abgestrahlt wird auf diese zurück zu reflektieren. Neben einer reflektierenden Schicht aus einem reflektierenden Material beispielsweise Metall kann auch hierzu eine photonische Struktur eingesetzt werden. Die photonische Struktur ist auf der der Abstandsschicht abgewandten Seite des Arrays angeordnet und reflektiert einfallendes Licht zumindest teilweise in Richtung der Abstandsschicht zurück.
Mit den vorgegebenen Ausgestaltungsformen und Maßnahmen wird es möglich, optoelektronische Vorrichtungen mit Metalinsen für verschiedene Anwendungen zu konfigurieren. Neben Fokussierung bzw. Defokussierungseigenschaften derartiger Metalinsen lassen sich auch Metalinsen erzeugen, die Licht je nach Polarisationsrichtung in unterschiedliche Raumbereiche abstrahlen. Ebenso ist es möglich abgestrahltes Licht zu kollimieren, bzw. auch wellenlängenselektiv in verschiedene Raumrichtungen abzugeben.
Figurenliste
Weitere Aspekte und Ausführungsformen nach dem vorgeschlagenen Prinzip werden sich in Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen und Beispiele offenbaren, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden.

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer optoelektronischen Vorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer optoelektronischen Vorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
3 stellt eine dritte Ausführungsform einer optoelektronischen Vorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip dar;
4 ist eine vierte Ausführungsform einer optoelektronischen Vorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
5 zeigt ein Verfahren für eine Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung mit einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips;
6 zeigt einige weitere Verfahrensschritte.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu. Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben. Es versteht sich von selbst, dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird. Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf. Es ist zu beachten, dass in der Praxis geringfügige Abweichungen von der idealen Form auftreten können, ohne jedoch der erfinderischen Idee zu widersprechen.
Außerdem sind die einzelnen Figuren, Merkmale und Aspekte nicht unbedingt in der richtigen Größe dargestellt, und auch die Proportionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht grundsätzlich richtig sein. Einige Aspekte und Merkmale werden hervorgehoben, indem sie vergrößert dargestellt werden. Begriffe wie „oben“, „oberhalb“, „unten“, „unterhalb“, „größer“, „kleiner“ und dergleichen werden jedoch in Bezug auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt. So ist es möglich, solche Beziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzuleiten.
1 zeigt eine erste Ausgestaltungsform einer Vorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Vorrichtung 1 kann beispielsweise als Teil eines pixelierten Arrays ausgebildet sein und umfasst ein Array aus mehreren als µLEDs ausgebildeten optoelektronischen Bauelementen, von denen hier zwei, nämlich die Bauelemente 3 und 3a gezeigt sind. Natürlich kann das Array weitere Bauelemente aufweisen, die wiederum in Reihen und Spalten angeordnet sein können. Die einzelnen optoelektronischen Bauelemente sind durch elektrische und optische Trennelemente 20 voneinander isoliert. Deren Funktion und genaue Aufbau wird noch im Weiteren erläutert. Das Array 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf einem Trägersubstrat 12 aufgebracht. Auf dem Trägersubstrat 12 ist eine Zwischenschicht und Planarisierungsschicht 120 angeordnet. Diese dient dazu, Unebenheiten auf dem Trägersubstrat 12 einzuebnen und je nach Anwendungsfall auch eine Gitterfehlanpassung der weiterhin aufgebrachten Halbleiterschichten zu kompensieren.
Die einzelnen µ-LEDs umfassen nun weiterhin eine n-dotierte Halbleiterschicht 130, die sich über die ganze Länge der jeweiligen Bauelemente erstreckt. Auf der Halbleiterschicht 130 ist eine aktive Zone in Form einer mehrfachen Quantenwellstruktur abgeschieden. Die aktive Zone 11 umfasst dabei abwechselnd verschiedene Quantenwell- und Barriereschichten. Mögliche Ausgestaltungsformen einer derartigen Struktur und verwendete Halbleitermaterialien sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann AlGaP oder AlGaInP mit verschiedenen Aluminiumanteilen für die Erzeugung der Quantenwellstruktur der aktiven Zone 11 verwendet werden. Auf der Quantenweltstruktur der aktiven Zone 11 ist nun eine p-dotierte Halbleiterschicht 140 angeordnet.
Die einzelnen Bauelemente 3 und 3a sind durch ein elektrisches und optisches Trennelement 20 voneinander isoliert. Dabei umfasst jedes optische und elektrische Trennelement eine Isolationsschicht 210, die sich entlang der Seitenwände der jeweiligen optoelektronischen Bauelemente erstreckt und an der Grenzfläche zur Planarisierungsschicht 120 abschließt. Die Isolationsschicht 210 ist transparent ausgeführt und kann beispielsweise Siliziumoxid, SiO2 oder auch Siliziumnitrit SiN oder andere Materialien umfassen. Die Dicke der Isolationsschicht 210 ist derart ausgestaltet, dass es nicht zu Tunnel- oder anderen Quanteneffekten kommen kann. Der restliche Graben ist mit einem reflektierenden Metall 220 aufgefüllt. Dieses kann wie dargestellt mit der Schicht 15 in Kontakt stehen, aber auch davon elektrisch isoliert sein.
In einem Betrieb der Anordnung werden nun Ladungsträger in die n- bzw. p-dotierten Schichten der beiden benachbarten optoelektronischen Bauelemente 3 und 3a injiziert und kombinieren in den jeweiligen aktiven Zone 11 der pLEDs unter Emission von Lichtteilchen. Diese Lichtteilchen werden gegebenenfalls durch das reflektierende Metall 220 in den optischen Trennelementen 20 reflektiert und in Richtung auf die Hauptabstrahlebene abgelenkt. Die Hauptabstrahlebene wird dabei durch die Grenzfläche der p-dotierten Schicht 140 mit einer weiteren im wesentlichen transparenten Schicht 15 gebildet. Die transparente Schicht 15 besitzt eine bestimmte Höhe H. Auf der Oberfläche der transparenten Schicht 15 ist nun eine Metalinse 30 aufgebracht.
In einem Betrieb der Anordnung wird das in der aktiven Zone gebildete Licht durch die transparente Schicht 15 abgestrahlt. Die Höhe bzw. die Dicke H der transparenten Schicht 15 ist dabei derart gewählt, dass sich an der Grenzfläche zwischen der transparenten Schicht 15 und der Metalinse 30 im wesentlichen ebene Wellenfronten einstellen. Diese treffen auf die strukturierte Oberfläche der Metalinse 30 und führen dort aufgrund der Struktur zu Laufzeitunterschieden. Die Laufzeitunterschiede der einzelnen Bereiche der Struktur der Metalinse 30 bedingen eine konstruktive bzw. destruktive Interferenz des einfallenden Lichts, wodurch die Lichtabstrahlung der beiden optoelektronischen Bauelemente 3 und 3a geformt wird.
Die Metalinse umfasst dabei in einigen Aspekten ein flächiges lichtdurchlässiges Trägermaterial, auf dem unterschiedlich dimensionierte Elemente im Bereich von wenigen Nanometern Größe aufgebracht sind. Die Verzögerung der einzelnen Lichtwellen an diesen Elementen führt zu der Überlagerung und damit zu neuen Wellenfronten mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen bzw. anderen Charakteristika.
So können beispielsweise die Strukturen der Metalinse 30 so geformt sein, dass sie das Licht der einzelnen optoelektronischen Bauelemente in einem Brennpunkt oberhalb der Struktur der Metalinse 30 fokussieren. Alternativ ist es auch möglich, eine gewisse Koordination des von den optoelektronischen Bauelementen abgestrahlten Lichts zu erreichen, um so beispielsweise das Licht senkrecht zur Oberfläche der Metalinse 30 bzw. der transparenten Schicht 15 abzustrahlen.
Die elektrischen und optischen Trennelemente 20 unterstützen dabei die Funktionalität der Metalinse, indem sie seitlich abgestrahltes Licht auf die transparente Schicht und die Metalinse 30 umlenken. Ein optisches Übersprechen der Bauelemente wird dadurch verringert bzw. ganz vermieden. Darüber hinaus ermöglicht die elektrische Isolation der Trennelemente auch eine elektrische Trennung der einzelnen Bauelemente 3 und 3aA voneinander, sodass diese individuell ansteuerbar sind. Zu diesem Zweck ist die im wesentlichen transparente Schicht 15 in diesem Ausführungsbeispiel aus einem transparenten leitfähigen Material ITO gebildet oder umfasst zumindest teilweise eine derartige Teilschicht, die mit der p-dotierten Schicht verbunden ist. Die elektrisch leitfähige ITO Schicht erlaubt es, einen gemeinsamen Kontakt für die einzelnen Bauelemente 3 und 3a zur Zuführung eines gemeinsamen Potenzials zu erzeugen.
Die einzelnen Elemente der Oberfläche der Metalinse 30 sollten deutlich kleiner als die Wellenlänge des jeweiligen Licht sein, im Bereich sichtbaren Lichts also kleiner als 400 nm. Auf diese Weise lässt sich das von Bauelementen 3 und 3a abgegebene Licht in einen relativ engen Winkelkegel fokussieren, und so für Anwendungen aufbereiten, die vor allem hochkollimiertes Licht benötigen.
Das Pixel bzw. das optoelektronische Bauelement muss dabei nicht hinsichtlich seiner geometrischen Eigenschaften optimiert werden, um Licht in eine bestimmte Zielrichtung abzustrahlen. Es ist insbesondere dann von Vorteil, wenn anderweitig eine Zielabstrahlrichtung ein Einstellen der Pixelflanken erforderlich macht. Dies führt zu Schwierigkeiten bei der Herstellung im Schichtenstapel, insbesondere dann, wenn die optoelektronischen Bauelemente nur eine geringe laterale Abmessung von wenigen Mikrometern aufweisen. Durch die Verwendung von Metalinsen ein bestimmter Abstrahlwinkel, auch nicht-senkrecht zur Pixelebene erzielt werden. Dies erlaubt es die Baugröße bei bestimmten Anwendungen zu verringern, und auf ansonsten notwendige makroskopische Spiegel zu verzichten.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer optoelektronischen Vorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Bei dieser sind die aktiven Bereiche eines jeden Bauelements durch sternförmige Gebilde 11 angedeutet. Das Array umfasst mehrere optoelektronische Bauelemente, die jeweils voneinander getrennte aktive Zonen umfassen. Dabei ist das in 2 dargestellte Array zweigeteilt. Auf der rechten Seite werden die einzelnen optoelektronischen Bauelemente durch elektrische und optische Trennelemente 21 voneinander separiert. Die elektrischen und optischen Trennelemente 21 erstrecken sich nicht nur durch Teile des Halbleitermaterials des Arrays, sondern auch durch die transparente Schicht 15 bis hin zur Grenzfläche zwischen der transparenten Schicht 15 und der Metalinse 30. Derartige elektrische und optische Trennelemente 21 erlauben eine besonders gute Separation und starke Reduzierung eines optischen Übersprechens zwischen den einzelnen Bauelementen. Darüber hinaus lassen sich diese Bauelemente einzeln ansteuern.
In der linken Teilfigur der 2 sind hingegen Bauelemente 3b gezeigt, die gemeinsam angesteuert werden können. Eine Trennung wird hier durch optische Trennelemente 20 bewirkt, die lediglich in der transparenten Schicht 15 angeordnet sind, sich aber nicht in das Halbleitermaterial erstrecken. Ihre virtuelle Verlängerung liegt zwischen zwei benachbarten Bauelementen 3b. Zwar ist bei diesen Trennelementen 20 keine elektrische Trennung möglich, und auch die optische Trennung bzw. die Reduzierung eines optischen Übersprechens ist verringert, die Trennelemente 20 lassen sich aber mit bekannten fotolithographischen Prozessen auf einfache Weise in der transparenten Schicht 15 herstellen. In beiden Teilbereichen erstreckt sich die Metalinse 30 über mehrere benachbarte Bauelemente 3 bzw. 3b.
In der Ausführungsform der 2 sind die Trennelemente in Form eines Metallgitters zwischen den einzelnen optoelektronischen Bauelementen eingefügt. Von oben, d. h. aus der Sicht der Metalinse betrachtet, besitzen die Trennelemente somit eine quadratische oder schachbrettartige Struktur. Dabei umfassen die Trennelemente ein Metall für eine hohe Reflexion und eine geringe Absorption, um so wenig zusätzliche Verluste wie möglich zu erzeugen. Das Metall ist von einer transparenten Isolation umgeben, um in dem umgebenden Halbleitermaterial keinen Kurzschluss zu verursachen. Die über der transparenten Schicht 15 angebrachte Metalinse 30 erlaubt es, die Abstrahlcharakteristik der einzelnen Bauelemente 3 und 3b gezielt zu gestalten.
In einem Ausführungsbeispiel werden nachfolgende Optiken 40 wie angedeutet oberhalb der Metalinse 30 und damit des Austrittsbereichs der optoelektronischen Vorrichtung angeordnet. Diese zusätzlichen Optiken sind polarisationssensitiv, d. h. ihre Wirkung ist von der Polarisation des einfallenden Lichts abhängig. Da Metalinsen imstande sind, Licht unterschiedlicher Polarisationsrichtungen in unterschiedliche Raumrichtungen abzubilden, lassen sich derartige optische Elemente 40 mit der Metalinse in geeigneter Weise kombinieren. So wird durch die Metalinse Licht einer ersten Polarisationsrichtung in eine erste Raumrichtung abgebildet, Licht einer zweiten Polarisationsrichtung in eine davon unterschiedliche zweite Raumrichtung. Durch die nachgeschaltete Optik 40 wird die Polarisationsrichtung in einem der Pfade wieder gedreht und mit dem Licht im anderen Pfad überlagert. Auf diese Weise lässt sich die Intensität von polarisationssensitiven Optiken deutlich erhöhen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches die Abbildungsqualität verbessert zeigt 3. In dieser Ausführungsform wird berücksichtigt, dass eine möglichst ebene Wellenfront für eine optimale Funktionalität der Metalinse besonders geeignet ist. Eine derartige ebene Wellenfront lässt sich durch einen winkelselektiven Spiegel erreichen, der vor der Metalinse im Strahlengang angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung somit einen wellenlängenselektiven Spiegel 150, der zwischen der Hauptabstrahlebene des Arrays mit den benachbarten optoelektronischen Bauelementen und der Metalinse 30 angeordnet ist. Der wellenlängenselektive Spiegel 150 ist in Form eines DBR Spiegels implementiert.
Dabei ist dieser so ausgelegt, dass Licht, welches von der aktiven Zone 11 unter einem bestimmten Winkel auf den Spiegel fällt von diesem entweder durchgelassen oder zurück auf eine Zwischenschicht 160 reflektiert wird. Insbesondere ist dabei vorgesehen, vor allem kleine Winkel zur Normalen des DBR Spiegels durchzulassen und größere Winkel von diesem zu reflektieren. Dieses Verhalten ist bei einigen Bauelementen in der Mitte der 3 durch einige Lichtstrahlen angedeutet. Die reflektierten Lichtbestandteile treffen wieder auf die Grenzschicht 160, die sich durch eine gewisse Rauigkeit der Oberfläche auszeichnet.
Durch die Rauigkeit wird das Licht bei einem Auftreffen erneut reflektiert, um so wiederum in den DBR Spiegel zu gelangen. Ist nunmehr der Auftreffwinkel kleiner als der Grenzwinkelbereich wird das erneut eintretende Licht von dem DBR Spiegel durchgelassen. Um ein Übersprechen zwischen den benachbarten optoelektronischen Bauelementen zu verhindern, ist wiederum eine optische Trennung 20 bzw. eine elektrische und optische Trennung 21 zwischen den Bauelementen vorgesehen.
Die hier vorgestellten Ausführungsbeispiele mit den elektrischen bzw. optischen Trennelementen erlauben bereits die Intensität und die Abstrahlrichtung für die einzelnen Bauelemente geeignet einzustellen. Um die Emission aus den optoelektronischen Bauelementen nun weiter zu erhöhen, sind in einen einigen Ausgestaltungen Elemente vorgesehen, die auch die rückwärtigen imitierten Lichtanteile umlenken und in Richtung auf die Metalinse reflektieren.
4 zeigt diesbezüglich ein entsprechendes Ausführungsbeispiel. Bei diesem umfasst die rückwärtige Seite des optoelektronischen Vorrichtung eine photonische Struktur 60. Diese wirkt als Reflektor für die Rückseite des Arrays 10 und reflektiert auf sie treffendes Licht in Richtung auf die Metalinse 30 zurück. Wie zu erkennen, besitzt die photonische Struktur 60 einen periodischen Aufbau mit einer Abstandslänge D, wobei dieser Aufbau deutlich unterschiedlich im Vergleich zu der Struktur d der Metalinse 30 ist. Insofern arbeiten Metalinse 30 und photonische Struktur 60 nach unterschiedlichen Prinzipien, sodass die reflektierende Funktionalität mit der photonischen Struktur 60 erreicht wird. Anstatt der photonischen Struktur 60 lässt sich in geeigneter Weise auch eine metallische Schicht als Reflektor verwenden.
5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
Bei dem Verfahren wird in einem ersten Schritt S1 ein Array mit wenigstens zwei nebeneinander angeordneten optoelektronischen Bauelementen bereitgestellt. Die optoelektronischen Bauelemente sind in diesem Ausführungsbeispiel als pixeliertes Array ausgebildet, wobei diese dennoch einzeln und individuell ansteuerbar sind. die Bauelemente sind ausgeführt, Licht in einem ersten Wellenlängenbereich entlang einer gemeinsamen Hauptabstrahlebene abzugeben. Die Hauptabstrahlebene wird nun möglichst gleichmäßig und eben planarisiert und darauf dann eine wenigstens teilweise transparente Abstandsschicht in Schritt S2 aufgebracht.
Die Abstandsschicht umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine erste Teilschicht aus einem leitfähigen elektrischen transparenten Material, beispielsweise Zinnoxid oder ITO. Die leitfähige Schicht dient dazu, die optoelektronischen Bauelemente von dieser Seite mit einem gemeinsamen elektrischen Kontakt zu versehen. Eine individuelle Ansteuerung erfolgt dann über den jeweiligen anderen separat ansteuerbaren Kontakt an das optoelektronisches Bauelement. Auf diese erste Teilschicht wird nun eine zweite transparente und isolierende Teilschicht aufgebracht, die gemeinsame die Abstandsschicht bildet. Die Dicke der so gebildeten Abstandsschicht ist so groß, dass ein von den Bauelementen abgegebenes Licht beim Verlassen der Abstandsschicht eine im wesentlichen ebene Wellenfront aufweist. Mit anderen Worten wird die Dicke der Abstandsschicht derart gewählt, dass das abgegebene Licht beim Verlassen vornehmlich im Fernfeld liegt.
In Schritt S3 wird nun flächig eine Metalllinse aufgebracht und so strukturiert, dass das von den wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen abgegebene Licht in einen vorgegebenen Winkelbereich abgelenkt wird. In Rahmen dieser Anmeldung soll der Begriff „vorgegebener Winkelbereich“ nicht zu eng interpretiert werden. Mit anderen Worten fallen unter diesen Ausdruck Anordnungen, die Licht kollimieren, in einen Brennpunkt fokussieren, defokussieren oder auch die Polarisationsrichtung des Lichts lediglich drehen. In einigen Aspekten ist die Metalinse derart ausgeformt, dass sie das von den Bauelementen abgegebene Licht so formt, dass die erzeugten Kegel der beiden optoelektronischen Bauelemente sich lediglich teilweise vor der Metalinse liegenden Abbildungsebene überlappen. Auf diese Weise wird durch die Metalinse eine besonders gute optische Trennung zwischen den einzelnen Pixeln erreicht.
In Schritt S4 wird die Rückseite des Arrays, d. h. die der Abstandsschicht abgewandten Seite des Arrays weiterbearbeitet. Da die optoelektronischen Bauelemente innerhalb des fixierten Arrays Licht nicht nur in Richtung auf die Abstandsschicht, sondern auch entgegen der Abstandsschicht emittieren, wird für eine Verbesserung der Lichtausbeute die Rückseite nun mit einer reflektierenden Schicht versehen. Diese reflektierende Schicht kann zum einen ein elektrisches Metall aufweisen, welches von rückseitig angeordneten Kontakten elektrisch isoliert ist oder auch eine zusätzliche photonische Struktur. In beiden Fällen wird das von den Bauelementen abgegebene und rückwärtige abgestrahlte Licht von der reflektierenden Struktur zurückgeworfen und fällt auf die Abstandsschicht und im Folgenden auf die Metalinse.
6A und 6B zeigt weitere Verfahrensschritte zur Ausbildung zusätzlicher Maßnahmen für eine Verbesserung der Abstrahlcharakteristik. Dabei können die einzelnen Maßnahmen mit der vorgeschlagenen Metalinse einzelnen aber auch gemeinsam mit dieser weiter kombiniert werden. Insofern besteht somit je nach Anwendungsfall die Möglichkeit, verschiedene Maßnahmen zur Lichtformung und Lichtausbeute zu kombinieren.
6A beschäftigt sich mit der elektrischen und optischen Trennung der verschiedenen optoelektronischen Bauelemente sowie einer zusätzlichen Maßnahme in der Abstandsschicht zur Verbesserung der Funktionalität der Metalinse. Schritte S5 und S6 der 6A sind Teilschritte, die während der Herstellung des pixelierten Arrays vorgenommen werden können.
Dabei wird in Schritt S5 eine Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone zwischen einer ersten Halbleiterschicht eines ersten Dotiertyps und einer zweiten Halbleiterschicht eines zweiten Dotiertyps erzeugt. Als Materialien für die unterschiedlichen Dotiertyps und der aktiven Zone kommen die konventionell bekannten Halbleitermaterialien zum Einsatz. Diese umfassen beispielsweise GaN, GaP, AlGaN, AlGaP, GaAs, AlGaAs, InGaN InGaP, InGaAlP und andere. Die aktive Zone ist in einer Ausführungsform durch einen einfachen pn-Übergang gebildet, kann jedoch auch deutlich komplexer ausgestaltet sein. Möglich wäre es beispielsweise Quantenwellstrukturen oder Mehrfach-Quantenwellstrukturen als aktive Zone in den optoelektronischen Bauelementen vorzusehen. Ebenso kann ein Quantenwellintermixing in den Radbereichen der optoelektronischen Bauelemente erzeugt werden.
Nach einem Ausbilden der Halbleiterschichtenfolge wird in Schritt S6 die Oberfläche der Schichtenfolge strukturiert und schachbrettartige Strukturen in die einzelnen Halbleiterschichten geätzt. Diese bilden Gräben aus, welche die optoelektronischen Bauelemente voneinander separieren. Die Wände dieser Gräben werden nun in Schritt S7 erst mit einer dünnen transparenten isolierenden Schicht überzogen und anschließend mit einem reflektierenden Metall aufgefüllt. Auf diese Weise wird ein schachbrettartiges Gitter erzeugt, welches zur optischen und elektrischen Trennung der einzelnen optoelektronischen Bauelemente dient. Das in die Gräben gefüllte Metall kann in Kontakt mit der Abstandsschicht stehen, aber auch von dieser isoliert sein. Durch die gleichzeitige Verwendung eines Quantenwellintermixing im Bereich dieser Gitter wird zudem eine nicht-strahlende Kombination an Defekten, die während der Ausbildung des Gitters in der aktiven Zone erzeugt wurden reduziert.
In dem optionalen Schritt S8 wird beim Ausbilden der Abstandsschicht diese ebenfalls strukturiert und die Trennelemente in der Halbleiterschichtenfolge des Arrays in die Abstandsschicht verlängert. Alternativ kann auch der Schritt S8 unabhängig von den Schritten S5 und S6 vorgenommen werden, in dem die Abstandsschicht strukturiert und optische Trennelemente vorgesehen werden. Die optischen Trennelemente liegen zwischen zwei optoelektronischen Bauelementen. Zwar ergibt sich in dieser Ausführung eine leicht geringere optische Trennung zwischen den einzelnen Bauelementen, jedoch kann die Abstandsschicht leichter strukturiert werden.
Die Schritte S9 und S10 in der 6B zeigen Maßnahmen zur Verbesserung der Funktionalität der Metalinse. Dazu soll das von den Bauelementen abgestrahlte Licht möglichst planarisiert werden und zwar derart, dass es möglichst senkrecht auf Metalinse fällt.
Zu diesem Zweck wird die Oberfläche des Arrays mit den optoelektronischen Bauelementen in Schritt S9 aufgeraut und anschließend eine dünne transparente und isolierende Schicht zur Planarisierung aufgebracht. In Schritt S10 erfolgt ein Ausbilden eines wellenlängenselektiven Spiegels in Form eines DBR-Spiegels. Hierzu werden schichtweise transparente Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindices aufgebracht. Ein derartiger wellenlängenselektiverer Spiegel bewirkt, dass Licht, welches mit einem Winkel kleiner als ein Grenzwinkel auf den Spiegel einfällt von diesem durchgelassen wird. Hingegen werden Lichtanteile, die mit einem Winkel größer als der Grenzwinkel auf den Spiegel einfallen von diesem zurück auf die aufgeraute Schicht reflektiert. An der auf aufgerauten Schicht können diese nun erneut gestreut werden, sodass sich der Winkel bei einem erneuten Auftreffen auf den Spiegel verändert.
Je nach Streuung kann dieser Winkel kleiner als der Grenzwinkel sein. Auf diese Weise werden Lichtanteile mit einem größeren Winkel als dem Grenzwinkel mehrmals zwischen dem wellenlängenselektiven Spiegel und der auf Aufrauschicht hin und her reflektiert, bis diese den wellenlängenselektiven Spiegel verlassen können.
Das auf die Metalinse auftreffende Licht besitzt somit nur noch eine geringe Winkelverteilung, was die Ausgestaltung und Ausbildung der Metalinse vereinfacht und zu einer besseren Abstrahlcharakteristik der Metalinse führt. Insgesamt wird so zum einen die Lichtausbeute und zum anderen die Abstrahlcharakteristik der optoelektronischen Vorrichtung nach dem vorgeschlagenen Prinzip verbessert.
Bezugszeichenliste

1: optoelektronische Vorrichtung
2: Substrat,
3, 3a: optoelektronische Bauelemente
10: Array
11: aktive Region
12: Substrat
15: transparente Schicht, Abstandsschicht
20: optisches Trennelement
21: optisches und elektrisches Trennelement
30: Metalinse
60: photonische Struktur
120: Planarisierungsschicht
130: n-dotierte Schicht
140: p-dotierte Schicht
150: DBR Schicht
160: Aufrauhschicht
d: Abstand
D: Abstand

Claims

Optoelektronische Vorrichtung umfassend: - ein Array (10) aus wenigstens zwei nebeneinander angeordneten optoelektronischen Bauelementen (3, 3a, 3b), insbesondere µLEDs, die ausgestaltet sind, Licht aus einer gemeinsamen Hauptabstrahlebene abzustrahlen; - eine für das von den wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen abgegebene Licht im wesentlichen transparente Schicht (15), die auf der Hauptabstrahlebene angeordnet ist, deren Dicke zur Ausbildung einer stabilen Wellenfront des von den wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen (3, 3a, 3b) abgegebenen Lichts ausreichend ist; - eine Metalinse, welche über der transparenten Schicht und über zumindest einem der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente (3, 3a, 3b) angeordnet und ausgestaltet ist, das von dem zumindest einen der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente (3, 3a, 3b) abgegebene Licht in einen vorgegebenen Winkelbereich abzulenken.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein Abstand zwischen der Hauptabstrahlebene und der Metalinse so gewählt ist, dass die Metalinse im Fernfeld des von dem zumindest einen der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente abgegebenen Lichts liegt.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der zwischen den wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen (3, 3a, 3b) ein optisches Trennelement (20, 21) angeordnet ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der sich das optische Trennelement (20, 21) zumindest teilweise in die im wesentlichen transparente Schicht (15) erstreckt.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die im wesentlichen transparente Schicht (15) ein optisches Trennelement (20) aufweist, dessen virtuelle Verlängerung zwischen den wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen (3, 3a, 3b) liegt.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der das optische Trennelement (20, 21,) ein von einem Halbleitermaterial der optoelektronischen Bauelementen (3, 3a, 3b) isoliertes reflektierendes Metall (220) umfasst.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der das optische Trennelement (20, 21) als ein vom Halbleitermaterial der optoelektronischen Bauelemente (3, 3a, 3b) isoliertes Metallgitter ausgebildet ist, welches jeweils die wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente (3, 3a, 3b) umgibt.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die im wesentlichen transparente Schicht (15) wenigstens eines der folgenden Materialien umfasst: - SiO2; - SiN; - TiO; - NbO; - TaO; - Al₂O₃; - ITO.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die im wesentlichen transparente Schicht (15) einen gemeinsamen elektrischen Kontakt an die wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente (3, 3a, 3b) bildet.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metalinse (30) ausgeführt ist, Licht einer ersten Polarisationsrichtung der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente (3, 3a, 3b) jeweils in eine erste Raumrichtung abzulenken und Licht einer zweiten, von der ersten unterschiedlichen Polarisationsrichtung der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente (3, 3a, 3b) jeweils in eine zweite Raumrichtung abzulenken.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die im wesentlichen transparente Schicht (15) einen winkelselektiven Spiegel (150) umfasst, insbesondere einen DBR Spiegel, der ausgestaltet ist, auf den Spiegel auftreffendes Licht in einem Winkel kleiner als einen Grenzwinkelbereich durchzulassen und einem Winkel größer als einen Grenzwinkelbereich zu reflektieren.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Hauptabstrahlebene des Arrays aufgeraut ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der auf der der Hauptabstrahlebene abgewandten Seite des Arrays eine reflektierende Schicht, insbesondere eine photonische Struktur (60), aufgebracht ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine laterale Ausdehnung eines der optoelektronischen Bauelemente kleiner ist als der Abstand zwischen der Hauptabstrahlebene und der Metalinse oder kleiner ist als der Abstand zwischen einer aktiven Zone und der Metalinse.
Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Arrays mit wenigstens zwei nebeneinander angeordneten optoelektronischen Bauelementen, die ausgestaltet sind, Licht aus einer gemeinsamen Hauptabstrahlebene abzustrahlen; - Ausbilden einer zumindest teilweise für das von den wenigstens zwei nebeneinander angeordneten Bauelementen abgegebene Licht transparenten Abstandsschicht auf der gemeinsamen Hauptabstrahlebene, mit einer zur Ausbildung einer stabilen Wellenfront des von den wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen abgegebenen Lichts ausreichenden Dicke; - Ausbilden einer Metalinse über zumindest einem der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen, wobei die Metalinse ausgestaltet ist, das von dem zumindest einen der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen abgegebene Licht in einen vorgegebenen Winkelbereich abzulenken.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem ein Abstand zwischen der Hauptabstrahlebene und der Metalinse so gewählt ist, dass die Metalinse im Fernfeld des von dem zumindest einen der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente abgegebenen Lichts liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 16, bei dem das Bereitstellen eines Arrays umfasst: - Erzeugen einer Halbleiterschichtenfolge mit einer aktiven Zone, die zwischen einer ersten Halbleiterschicht eines ersten Dotiertyps und einer zweiten Halbleiterschicht eines zweiten Dotiertyps angeordnet ist; - Ausbilden eines ersten Kontaktes für jedes der wenigstens zwei nebeneinander angeordneten optoelektronischen Bauelementen und wenigstens eines zweiten Kontaktes.
Verfahren nach Anspruch 17, weiter umfassend: - Erzeugen eines elektrischen und/oder optischen Trennelements (21) in der Halbleiterschichtenfolge zwischen einem ersten und einem zweiten der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente; wobei optional das elektrische und/oder optische Trennelement (21) ein von einer isolierenden Schicht zumindest teilweise umgebendes reflektierendes Material aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, weiter umfassend: - Erzeugen eines optischen Trennelements (20) in der Abstandsschicht (15), so dass deren virtuelle Verlängerung zwischen zwei benachbarten der wenigstens zwei optoelektronischen Bauelementen liegt und wobei optional das optische Trennelement (20) ein von einer isolierenden Schicht zumindest teilweise umgebendes reflektierendes Material aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem das optische Trennelement (20, 21) als ein vom Halbleitermaterial der optoelektronischen Bauelemente (3, 3a, 3b) isoliertes Metallgitter ausgebildet wird, welches jeweils die wenigstens zwei optoelektronischen Bauelemente (3, 3a, 3b) umgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, bei dem der Schritt des Ausbildens einer Abstandsschicht aufweist: - Erzeugen eines wellenlängenselektiven Spiegels in der Abstandschicht, welcher Licht, das mit einem Winkel kleiner als ein Grenzwinkelbereich bezogen auf eine Normale des Spiegels einfällt, im Wesentlichen durchlässt und Licht, das mit einem Winkel größer als ein Grenzwinkelbereich bezogen auf eine Normale des Spiegels einfällt, im Wesentlichen reflektiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, bei dem eine der Abstandschicht zugewandte Oberfläche des Arrays vor dem Aufbringen der Abstandsschicht aufgeraut wird; oder bei dem zwischen der Abstandschicht und der der Abstandschicht zugewandte Oberfläche des Arrays eine aufgeraute transparente Schicht vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, weiter umfassend: - Aufbringen einer reflektierenden Schicht auf einer der Abstandsschicht abgewandten Seite des Arrays, insbesondere ein Aufbringen einer photonischen Struktur auf einer der Abstandsschicht abgewandten Seite des Arrays, die ausgebildet ist, einfallendes Licht zumindest teilweise zu reflektieren.