DE112019007611T5

DE112019007611T5 - Optoelektronische vorrichtung und verfahren zur herstellung einer optoelektronischen vorrichtung

Info

Publication number: DE112019007611T5
Application number: DE112019007611.6T
Authority: DE
Inventors: Ali Mahdavi
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-08-06
Filing date: 2019-08-06
Publication date: 2022-04-21
Also published as: WO2021023374A1; US20220320376A1

Abstract

Eine optoelektronische Vorrichtung umfasst:mindestens eine optoelektronische Lichtquelle (13) mit einem aktiven Bereich (15) zum Erzeugen von Licht und einer lichtemittierenden Oberfläche (29) zum Emittieren des erzeugten Lichts,eine elektrisch leitfähige Schicht (25), die sich zwischen der lichtemittierenden Oberfläche (13) und dem aktiven Bereich (15) erstreckt, undeine photonische Kristallstruktur (27),wobei die photonische Kristallstruktur (27) in der elektrisch leitfähigen Schicht (25) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung.
Eine optoelektronische Vorrichtung, wie z. B. eine Anzeige, kann eine Vielzahl von optoelektronischen Lichtquellen, wie z. B. LEDs oder pLEDs, umfassen, die in einer array-artigen Struktur angeordnet sind. Jede optoelektronische Lichtquelle kann ein Subpixel in der arrayartigen Struktur bilden. Das Subpixel kann so konfiguriert sein, dass es rotes, grünes oder blaues Licht emittiert. Ein Pixel kann drei Subpixel und damit drei Lichtquellen enthalten. Eine Lichtquelle kann so konfiguriert sein, dass sie rotes Licht emittiert, eine Lichtquelle kann so konfiguriert sein, dass sie grünes Licht emittiert, und eine Lichtquelle kann so konfiguriert sein, dass sie blaues Licht emittiert. Für solche optoelektronischen Vorrichtungen, die eine oder mehrere optoelektronische Lichtquellen umfassen, ist es wünschenswert, dass das emittierte Licht eine akzeptable Richtcharakteristik hat und dass die Lichtausbeute ausreichend hoch ist.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte optoelektronische Vorrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine optoelektronische Vorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine optoelektronische Vorrichtung mindestens eine optoelektronische Lichtquelle mit einem aktiven Bereich zur Lichterzeugung und mit einer lichtemittierenden Oberfläche zum Emittieren des erzeugten Lichts. Zwischen der lichtemittierenden Oberfläche und dem aktiven Bereich erstreckt sich eine elektrisch leitfähige Schicht, und in der elektrisch leitfähigen Schicht ist eine photonische Kristallstruktur angeordnet.
Die elektrisch leitfähige Schicht dient dazu, einen Pol der aktiven Zone mit Strom zu versorgen. Da diese Schicht jedoch eine photonische Kristallstruktur enthält, bietet sie mehrere weitere Vorteile. Durch die Einführung der photonischen Kristallstruktur in die elektrisch leitfähige Schicht können beispielsweise die Lichtextraktion und die Richtungsabhängigkeit des extrahierten Lichts verbessert werden, wobei die Fähigkeit zur Stromausbreitung erhalten bleibt. Außerdem kann die photonische Kristallstruktur dazu beitragen, das Übersprechen zwischen den optoelektronischen Lichtquellen zu vermeiden oder zu verringern. Crosstalk ist eine unerwünschte Übertragung von Licht auf benachbarte Pixel und Regionen. Dies führt dazu, dass benachbarte Pixel gleichzeitig beleuchtet werden, wenn ein einzelnes Pixel angesprochen wird. Bei Bildschirmen kann dies zu einer geringeren Bildqualität und einem niedrigeren Signal-Rausch-Verhältnis in optischen Kommunikationsgeräten führen.
Ein Übersprechen kann auftreten, wenn das von einer optoelektronischen Lichtquelle erzeugte Licht entlang der elektrisch leitfähigen Schicht zu einer anderen, z. B. benachbarten, optoelektronischen Lichtquelle wandert. Dort kann das Licht in der aktiven Zone der optoelektronischen Lichtquelle absorbiert werden und erneut emittieren.
Photonische Kristallstrukturen als solche sind bekannt. Ein photonischer Kristall ist eine periodische oder quasi-periodische optische Nanostruktur, die die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen beeinflussen kann. Photonische Kristalle können aus sich regelmäßig wiederholenden Bereichen mit hoher und niedriger Dielektrizitätskonstante bestehen.
In einigen Ausführungsformen umfasst die elektrisch leitfähige Schicht eine zweidimensionale photonische Kristallstruktur. Die zweidimensionale photonische Kristallstruktur kann eine periodische oder quasi-periodische Variation des Brechungsindexes entlang einer ersten Achse, z. B. einer x-Achse, und entlang einer zweiten Achse, z. B. einer y-Achse, aufweisen. Die erste und die zweite Achse stehen senkrecht zueinander und können in einer Ebene liegen, die parallel zur Lichtaustrittsfläche ist. Mit anderen Worten können die erste und die zweite Achse orthogonal zu einer dritten Achse, z. B. einer z-Achse, liegen. Die dritte Achse ist orthogonal zur lichtemittierenden Oberfläche und kann daher der Hauptrichtung der von der optoelektronischen Vorrichtung emittierten Strahlung entsprechen.
Die photonische Kristallstruktur kann so gestaltet werden, dass sie eine photonische Bandlücke zumindest für elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge oder in einem bestimmten Wellenlängenbereich und für die elektromagnetische Strahlung, die sich in lateraler Richtung in der leitfähigen Schicht ausbreitet, aufweist. Die laterale Richtung ist parallel zur lichtemittierenden Oberfläche. Die laterale Richtung kann also in der Ebene liegen, die von der ersten und zweiten Achse aufgespannt wird.
Das Material der elektrisch leitfähigen Schicht und die geometrischen Parameter des Kristalls mit photonischer Struktur können so gewählt werden, dass die Bandlücke optimiert wird. Zu den geometrischen Parametern können beispielsweise der Radius der Löcher in der leitfähigen Schicht, die Abstände und/oder die Höhe der Löcher gehören.
Die von der Bandlücke abgedeckten Wellenlängen können den Wellenlängen des von der optoelektronischen Lichtquelle erzeugten Lichts entsprechen. So kann die photonische Bandlücke so gestaltet werden, dass das von der optoelektronischen Lichtquelle erzeugte Licht daran gehindert wird, sich in der elektrisch leitfähigen Schicht in lateraler Richtung, d. h. in einer Richtung parallel zur Lichtaustrittsfläche, auszubreiten. So kann das Übersprechen zwischen benachbarten optoelektronischen Lichtquellen reduziert oder verhindert werden. In einigen Ausführungsformen kann das Übersprechen auf 1 % reduziert werden, indem die leitfähige Schicht mit optimierten Gitterparametern strukturiert wird, während die auf benachbarte Chips übertragene Energieemission bis zu 14 % der Gesamtemission betragen kann, wenn die leitfähige Schicht unversehrt ist.
Die Strukturbildung ermöglicht auch eine Entwicklung der Bandstruktur, um die Lichtausbeute zu optimieren und die Richtwirkung zu verbessern. Wenn ein bestimmtes Fernfeld-Emissionsmuster innerhalb des gewählten Bereichs mit optimierter Lichtextraktionseffizienz von Interesse ist, kann die Bandstruktur außerdem so eingestellt werden, dass eine optimierte Richtwirkung in der normalen Richtung oder in einem beliebigen Winkel erreicht wird.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die mindestens eine optoelektronische Lichtquelle durch eine Vielzahl von optoelektronischen Lichtquellen gebildet. Die optoelektronischen Lichtquellen der Vielzahl von optoelektronischen Lichtquellen können in einer arrayartigen Struktur angeordnet sein, und jede der optoelektronischen Lichtquellen kann einen aktiven Bereich aufweisen, der von den aktiven Bereichen der anderen optoelektronischen Lichtquellen getrennt ist. Die aktiven Bereiche der optoelektronischen Lichtquellen können einzeln betrieben werden. Die elektrisch leitfähige Schicht kann alle optoelektronischen Lichtquellen abdecken und dazu dienen, einen elektrischen Pol jeder optoelektronischen Lichtquelle mit Strom zu versorgen. Die leitfähige Schicht kann daher als Stromverteilungsschicht dienen.
Die elektrisch leitfähige Schicht kann sich über alle optoelektronischen Lichtquellen der mehreren optoelektronischen Lichtquellen erstrecken. Die elektrisch leitfähige Schicht kann daher eine separate Schicht über den optoelektronischen Lichtquellen bilden, und die elektrisch leitfähige Schicht kann die Oberseite der Lichtquellen vollständig bedecken.
Die photonische Kristallstruktur kann sich auch in der ersten und zweiten Richtung über die gesamte elektrisch leitfähige Schicht erstrecken. So kann der Brechungsindex der photonischen Kristallstruktur periodisch entlang der ersten und zweiten Achse variieren.
Die photonische Kristallstruktur kann eine Vielzahl von Löchern umfassen, die in der elektrisch leitfähigen Schicht ausgebildet sind, und die Löcher können ein Gitter bilden, z. B. ein quadratisches Gitter oder ein hexagonales Gitter. Ein hexagonales Gitter wird manchmal auch als Dreiecksgitter bezeichnet.
Die Löcher, die das hexagonale Gitter bilden, können in die elektrisch leitfähige Schicht geätzt werden, insbesondere so, dass durch die Dimensionierung des Gitters eine Bandlücke in einem gewünschten Wellenlängenbereich oder bei einer gewünschten Wellenlänge entsteht. Die Bandlücke kann insbesondere verhindern, dass sich optische Moden seitlich, d.h. in der durch die erste und zweite Achse definierten Ebene, ausbreiten. Dadurch kann ein Übersprechen verhindert oder reduziert werden.
Die photonische Kristallstruktur kann auch dazu beitragen, dass geführte Moden im aktiven Bereich an einen Extraktionskegel gekoppelt werden, was zu einer verbesserten Lichtauskopplung führt. Der Extraktionskegel kann eine Mittelachse haben, die parallel zur dritten Achse verläuft, und sein Öffnungswinkel kann von der photonischen Kristallstruktur und/oder der erzeugten Bandlücke abhängig sein. Insbesondere kann der Öffnungswinkel durch das Vorhandensein der photonischen Kristallstruktur verringert werden. Dadurch kann die Richtwirkung verbessert werden. Da die photonische Kristallstruktur eine Bandlücke für sich seitlich ausbreitende Photonen schaffen kann, kann sie auch zur Verbesserung der Richtungsabhängigkeit des ausgestrahlten Lichts beitragen, indem sie das gestreute Licht mehr in Richtung der Normalwinkel, d. h. in der Richtung senkrecht zur Lichtaustrittsfläche, einschränkt.
Die Löcher können mit einem dielektrischen Material gefüllt sein, dessen Brechungsindex sich vom Brechungsindex der elektrisch leitfähigen Schicht unterscheidet. Alternativ können die Löcher auch mit Luft oder einem anderen gasförmigen Material gefüllt sein.
Jedes Loch kann eine Mittelachse aufweisen, wobei die Mittelachsen der mehreren Löcher parallel zueinander angeordnet sein können.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst jedes Loch eine Mittelachse, und die Mittelachsen der mehreren Löcher können orthogonal zu der lichtemittierenden Oberfläche angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung hat jedes Loch einen kreisförmigen Querschnitt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die mindestens eine optoelektronische Lichtquelle eine µLED. Die µLED kann eine Größe im Bereich zwischen 10 µm und 1 µm, vorzugsweise zwischen 5 µm und 1 µm und weiter vorzugsweise zwischen 2 µm und 1 µm aufweisen. Die Größe wird entlang der ersten Achse gemessen. Die µLED kann einen quadratischen oder annähernd quadratischen Querschnitt in der durch die erste und zweite Achse definierten Ebene aufweisen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung weist die elektrisch leitfähige Schicht eine Höhe im Bereich zwischen 350 nm und 140 nm, vorzugsweise eine Höhe von 300 nm oder 150 nm auf. Die photonische Kristallstruktur und insbesondere eine hexagonale Struktur mit Löchern in der elektrisch leitfähigen Schicht trägt zur Stabilisierung der leitfähigen Struktur bei und ermöglicht die Bildung einer elektrisch leitfähigen Schicht mit einer Höhe von 300 nm oder 150 nm auf einer Anordnung von pLEDs.
Die elektrisch leitfähige Schicht ist vorzugsweise aus einem transparenten oder teilweise transparenten Material gebildet.
Die elektrisch leitfähige Schicht kann aus Indium-Zinn-Oxid hergestellt werden. Dieses Material wird auch ITO genannt. ITO wird jedoch nur als ein Beispiel genannt.
Das Ätzen der elektrisch leitfähigen Schicht, z. B. einer ITO-Schicht, zur Bildung der photonischen Kristallstruktur beeinflusst geringfügig die Stromausbreitungsfunktion der Schicht, je nachdem, wie viel Material im Vergleich zur Masse entfernt wird. Die Löcher können vollständig oder teilweise durch die elektrisch leitfähige Schicht geätzt werden. Die photonische Kristallstruktur ermöglicht auch eine dickere Materialabscheidung auf den Lichtquellen und insbesondere auf den pLEDs. Normalerweise würde eine dicke Materialschicht, wie z. B. eine ITO-Schicht oder eine andere stromverteilende Schicht mit hoher Dotierungskonzentration, zu einem starken Übersprechen und einer Verringerung der Lichtausbeute führen. Dieses Problem kann vermieden werden, indem die photonische Kristallstruktur mit einer Bandlücke hergestellt wird, die die Ausbreitung des Lichts in lateraler Richtung blockiert.
Numerischen Simulationen zufolge kann das Übersprechen zwischen benachbarten pLEDs bis zu 80% der Lichtemission außerhalb der Ebene betragen, wenn keine photonische Kristallstruktur in einer elektrisch leitfähigen Schicht zwischen den pLEDs angeordnet ist. Dies könnte zu nicht auflösbaren und nicht unterscheidbaren Chips führen. Die Verwendung einer photonischen Kristallstruktur in einer elektrisch leitfähigen Schicht, die von einer Vielzahl von pLEDs gemeinsam genutzt wird, trägt daher zu einer höheren Bildqualität und zu aufgelösten Pixeln bei.
In einigen Ausführungsformen wird die photonische Kristallstruktur durch ein hexagonales Muster von Löchern in der elektrisch leitfähigen Schicht gebildet. Außerdem kann die elektrisch leitfähige Schicht eine Dicke von 300 nm, einen Lochradius von 178,2 nm und Abstände zueinander von 540 nm aufweisen.
Die lichtemittierende Oberfläche kann die obere Oberfläche einer oder mehrerer Schichten sein, die über der elektrisch leitfähigen Schicht angeordnet sind. Diese Schicht oder Schichten sind vorzugsweise elektrisch isolierende Schichten und/oder transparent oder zumindest teilweise transparent. Die lichtemittierende Oberfläche kann auch durch die obere Oberfläche der elektrisch leitfähigen Schicht gebildet sein.
Die photonische Kristallstruktur kann insbesondere in Bezug auf ihre Dicke, ihre Abstände und ihren Lochradius so gestaltet sein, dass eingefangene Moden und/oder geführte Moden an einen Extraktionskegel für das emittierte Licht koppeln. So kann die Bandstruktur angepasst werden, insbesondere durch Anpassung der Dicke, der Abstände und des Lochradius, so dass die Extraktionseffizienz und die Richtwirkung verbessert oder optimiert werden können. Bei der Bandstruktur fällt das Zentrum des Strahlungskegels in der Regel mit dem T-Punkt zusammen, dem hohen Symmetriepunkt in der Brillouin-Zone, wo kx = ky = 0 ist. An diesem Punkt strahlen die Strahlungsmoden in z-Richtung aus der Ebene heraus
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung, insbesondere einer optoelektronischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Bereitstellen mindestens einer optoelektronischen Lichtquelle mit einem aktiven Bereich zur Erzeugung von Licht,
Bereitstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht über dem aktiven Bereich, und
Erzeugen einer photonischen Kristallstruktur in der elektrisch leitfähigen Schicht.

Vorzugsweise ist die elektrisch leitfähige Schicht auf der Seite des aktiven Bereichs vorgesehen, die für die Lichtemission bestimmt ist. Oberhalb der elektrisch leitfähigen Schicht können eine oder mehrere weitere Schichten angeordnet sein, die vorzugsweise nicht leitfähig und transparent sind. Die Oberseite dieser Schichten kann die lichtemittierende Oberfläche bilden, durch die das im aktiven Bereich erzeugte Licht die Vorrichtung verlassen kann.
In einigen Ausführungsformen ist die mindestens eine optoelektronische Lichtquelle durch eine Vielzahl von optoelektronischen Lichtquellen gebildet. Das Verfahren kann umfassen, dass die optoelektronischen Lichtquellen der mehreren optoelektronischen Lichtquellen in einer arrayartigen Struktur angeordnet sind und jede der optoelektronischen Lichtquellen einen aktiven Bereich aufweist, der von den aktiven Bereichen der anderen optoelektronischen Lichtquellen getrennt ist.
In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei den optoelektronischen Lichtquellen um einzelne Lichtquellen, vorzugsweise einzelne pLEDs, die in der arrayartigen Struktur angeordnet sind. Die µLEDs können durch Zerschneiden eines Wafers mit pLEDs in einzelne pLEDs gebildet werden.
Die elektrisch leitfähige Struktur kann auf den optoelektronischen Lichtquellen der mehreren optoelektronischen Lichtquellen so angebracht werden, dass sie sich über alle optoelektronischen Lichtquellen erstreckt. Die elektrisch leitfähige Struktur bildet somit eine Schicht, die von allen Lichtquellen gemeinsam genutzt wird und die zur Verteilung des elektrischen Stroms zwischen den Lichtquellen verwendet werden kann.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 schematisch eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer optoelektronischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 schematisch eine elektrisch leitfähige Schicht mit einer photonischen Kristallstruktur zeigt, die in der Vorrichtung von 1 angeordnet ist.
3 schematisch die Strahlungsleistung pro Raumwinkel in Abhängigkeit von der Abstrahlrichtung der Vorrichtung aus 1 und einer entsprechenden Vorrichtung zeigt, die jedoch eine unstrukturierte elektrisch leitfähige Schicht aufweist.
4 ein Diagramm zeigt, das den elektrischen Widerstand einer leitfähigen Schicht mit Löchern als Funktion des Verhältnisses zwischen Lochradius und Lochabstand veranschaulicht.
5 ein Diagramm der photonischen Bandstruktur zeigt.
5b ein weiteres Diagramm der photonischen Bandstruktur zeigt.

1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer optoelektronischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Ansicht wurde aus einer numerischen Simulation gewonnen. Der äußere Rahmen 11 begrenzt den Berechnungsbereich und dient zur Festlegung von Randbedingungen für die numerische Simulation. Der Rahmen 11 ist kein Bestandteil der physischen optoelektronischen Vorrichtung.
Die in 1 dargestellte optoelektronische Vorrichtung ist vorzugsweise durch eine µLED gebildet und umfasst eine optoelektronische Lichtquelle 13 mit einem aktiven Bereich 15 zur Lichterzeugung. Der aktive Bereich 15 umfasst einen Quantentopf-Emissionsbereich, in dem Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich erzeugt wird.
Eine Emission des aktiven Bereichs 15 kann eine Richtwirkung aufweisen, die einer Dipolemission entspricht. Die Schichtstruktur, die den aktiven Bereich 15 bildet, ist in eine trichterförmige Mesa-Grenze 19 eingebettet, die an ihrer Innenseite eine Metall- und Passivierungsschicht 21 aufweist. Die Metall- und Passivierungsschicht 21 sorgt für eine gewisse Reflektivität, die das Licht in z-Richtung nach oben lenkt.
Ein optionales reflektierendes Element (nicht abgebildet), z. B. eine Schichtstruktur, die einen Bragg-Reflektor bildet, kann unterhalb des aktiven Bereichs 15 angeordnet sein, um Licht in z-Richtung nach oben zu reflektieren.
Auf dem aktiven Bereich 15 sind eine oder mehrere Epitaxieschichten 23 angeordnet. Auf den Epitaxieschichten 25 ist eine elektrisch leitfähige Schicht 25 angeordnet. Die epitaktischen Schichten 23 und die elektrisch leitfähige Schicht 25 sind für das im aktiven Bereich 15 emittierte Licht transparent oder zumindest teilweise transparent. Außerdem ist in der elektrisch leitfähigen Schicht 25 eine photonische Kristallstruktur 27 angeordnet.
Oberhalb der photonischen Kristallstruktur 27 können eine oder mehrere zusätzliche Schichten angeordnet sein, deren Oberseite die Lichtaustrittsfläche bilden kann. Alternativ kann die Oberseite der elektrisch leitfähigen Schicht 25 als Lichtaustrittsfläche 29 dienen, durch die das erzeugte Licht die Vorrichtung verlassen kann. Über der Lichtaustrittsfläche 29 kann sich Luft 31 befinden.
Die elektrisch leitfähige Schicht 25 dient als Stromverteilungsschicht, um einen n-Kontakt des aktiven Bereichs 15 mit elektrischem Strom zu versorgen. Außerdem wird ein p-Kontakt des aktiven Bereichs 15 über eine untere Metallschicht 33 mit Strom versorgt.
Durch das Einbringen der photonischen Kristallstruktur 27 in die elektrisch leitfähige Schicht 25 wird die Lichtextraktion und die Richtwirkung des extrahierten Lichts verbessert, während die Fähigkeit, den aktiven Bereich 15 der optoelektronischen Lichtquelle 13 mit Strom zu versorgen, erhalten bleibt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die photonische Kristallstruktur 27 so gestaltet ist, dass eingefangene Moden und/oder geführte Moden der Struktur 27 mit einem Extraktionskegel des emittierten Lichts gekoppelt sind. Darüber hinaus kann, wie weiter unten erläutert wird, die Höhe der elektrisch leitfähigen Schicht 25 durch die photonische Kristallstruktur 27 vergrößert werden, was zu einer weiteren Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der Schicht 25 führt.
Die optoelektronische Lichtquelle 13 kann in einer arrayartigen Struktur aus mehreren optoelektronischen Lichtquellen 13 angeordnet sein. Die photonische Kristallstruktur 27 trägt dazu bei, das Übersprechen zwischen den optoelektronischen Lichtquellen 13 des Arrays von Lichtquellen zu vermeiden oder zu verringern. Übersprechen tritt vor allem dann auf, wenn sich das Licht entlang der elektrisch leitfähigen Schicht 25 von einer Lichtquelle 13 zu einer benachbarten Lichtquelle 13 bewegt. Dort kann das Licht den Lichterzeugungsprozess in der aktiven Zone 15 der benachbarten Lichtquelle 13 stören.
Wie in gezeigt, ist die photonische Kristallstruktur 27 in der elektrisch leitfähigen Schicht 25 eine zweidimensionale hexagonale photonische Kristallstruktur. Die Struktur weist eine periodische oder quasi-periodische Variation des Brechungsindexes entlang der x-Achse und der y-Achse auf. Die x-Achse und die y-Achse stehen senkrecht zueinander und liegen in einer Ebene, die parallel zur Lichtaustrittsfläche 29 verläuft. Mit anderen Worten: Die x-Achse und die y-Achse sind orthogonal zur z-Achse, die orthogonal zur Lichtaustrittsfläche 29 verläuft. Die z-Achse entspricht der Hauptrichtung des Lichts, das von der optoelektronischen Vorrichtung ausgestrahlt wird.
Die photonische Kristallstruktur 27 umfasst eine Vielzahl von Löchern 35, die in einer hexagonalen Gitterstruktur angeordnet sind. Die Löcher 35 können in die elektrisch leitfähige Schicht 25 geätzt worden sein, insbesondere so, dass durch die Dimensionierung des Gitters eine Bandlücke (nicht dargestellt) entsteht, die die Wellenlängen des von der optoelektronischen Lichtquelle 13 ausgesandten Lichts abdeckt. Die Löcher 35 können mit einem dielektrischen Material gefüllt sein, dessen Brechungsindex sich vom Brechungsindex der elektrisch leitfähigen Schicht 25 unterscheidet. Alternativ können die Löcher 35 auch Luft enthalten.
Da sich die Periodizität der Struktur in der xy-Ebene erstreckt, ist die Bandlücke insbesondere für die Ausbreitung von Licht in der leitfähigen Schicht 25 entlang einer lateralen Richtung, d. h. einer Ausbreitungsrichtung in der xy-Ebene, relevant. Bei der Bandlücke kann es sich um eine partielle Bandlücke handeln, da eine Entwicklung einer vollständigen Bandlücke für die Emissionswellenlänge aufgrund von Größen- und Materialbeschränkungen möglicherweise nicht möglich ist. Die Bandlücke kann verhindern, dass sich Licht in lateraler Richtung innerhalb der leitfähigen Schicht 25 ausbreitet, wenn die Wellenlänge des Lichts in der Bandlücke liegt. Dadurch kann ein Übersprechen zwischen benachbarten Lichtquellen einer Anordnung von Lichtquellen 13, die sich die elektrisch leitfähige Schicht 25 teilen, verhindert oder reduziert werden.
zeigt die Strahlungsleistung pro Raumwinkel in Abhängigkeit von der Abstrahlrichtung. Die Abstrahlungsrichtung ist durch einen Winkel gegeben, der in Bezug auf eine Normalachse (siehe die z-Achse in ) gemessen wird, die senkrecht zur lichtemittierenden Oberfläche steht. Konkret zeigt 3 eine erste Kurve 37, die sich auf die Strahlungsleistung pro Raumwinkel in Abhängigkeit von der Abstrahlrichtung für eine Vorrichtung mit einer photonischen Kristallstruktur 27 gemäß 1 bezieht. Außerdem zeigt 3 eine zweite Kurve 39 einer entsprechenden Vorrichtung, die jedoch keine photonische Kristallstruktur 27 in ihrer elektrisch leitfähigen Schicht 25 aufweist. Beide Profile sind für das Fernfeld dargestellt.
Wie in 3 gezeigt, ist die erste Kurve 37 enger als die zweite Kurve 39. Die photonische Kristallstruktur 27 hilft daher bei der Kopplung geführter Moden in der photonischen Kristallstruktur 27 mit einem Extraktionskegel, wie er durch die erste Kurve 37 dargestellt wird, was zu einer verbesserten Lichtextraktion und einer verbesserten Richtwirkung führt.
zeigt ein Diagramm, das den elektrischen Widerstand einer leitfähigen Schicht 25 mit einer Dicke von 300 nm und mit Löchern 35 (siehe ), die eine photonische Kristallstruktur bilden, als Funktion des Verhältnisses zwischen Lochradius und Abstand darstellt. Eine 150 nm dicke elektrisch leitfähige Schicht, die keine Löcher aufweist, hat beispielsweise einen Widerstand von etwa 155 Ohm (siehe die horizontale Linie in ). Die elektrisch leitfähige Schicht 25 mit Löchern in einer hexagonalen Struktur ist doppelt so dick. Bei einem Radius/Teilung geringer als 0,33 weist sie jedoch einen geringeren Widerstand auf. Der Widerstand der leitfähigen Schicht 25 mit Löchern kann weiter sinken, wenn die Dicke der Schicht erhöht wird. So kann eine dickere leitfähige Schicht 25 mit Löchern 35 zusätzlich zum Vorhandensein einer photonischen Bandlücke, die jegliches Übersprechen verhindert, einen geringeren Widerstand aufweisen als eine dünnere unstrukturierte Schicht, da die dickere strukturierte Schicht 25 aus mehr leitendem Material bestehen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform, bei der ITO als Material für die elektrisch leitfähige Schicht 25 verwendet wird, gelten die folgenden Abmessungen:

a = 520 nm, r/a = 0,30, d = 150 mm, Po = 0,27, Pc = 0,01.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gelten die folgenden Abmessungen:

a = 540 nm, r/a = 0,33, d = 300 nm, Po = 0.30, Pc = 0,01.

„a“ bezieht sich auf den Abstand, „r“ auf den Radius der Löcher, „d“ auf die Dicke der Schicht 25, gemessen entlang der z-Achse. Po ist die kumulative Lichtleistung einer Lichtquelle, die außerhalb der Ebene abgestrahlt wird, geteilt durch die von der Quelle in der aktiven Zone abgestrahlte Leistung. Pc ist die kumulative Lichtleistung einer Lichtquelle, die auf die benachbarten Zellen übertragen wird, geteilt durch die abgestrahlte Leistung.
Der Abstand „a“ ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Löchern in einem sechseckigen Gitternetz von Mitte zu Mitte.
Bei den gegebenen Abmessungen hat eine Toleranz von ±10 nm im Radius keinen Einfluss auf die Auskoppelleistung und das Übersprechen über die elektrisch leitfähige Schicht 25. Dies macht die photonische Struktur unempfindlich gegenüber Fertigungstoleranzen.
Die Dicke der elektrisch leitfähigen Schicht 25 ist für optoelektronische Lichtquellen, die pLEDs sind, von Bedeutung. Einerseits kann eine Dicke von weniger als 200 nm eine Herausforderung darstellen und die Leitfähigkeit einer solchen Schicht verringern. Andererseits führt eine dicke, unstrukturierte leitfähige Schicht 25 zu Übersprechen. Die Strukturierung der leitfähigen Schicht 25 mit einer photonischen Kristallstruktur, die eine photonische Bandlücke an der Emissionslinie der Lichtquellen aufweist, kann zu einer vollständigen Unterdrückung des Übersprechens führen und gleichzeitig einen elektrischen Stromfluss ermöglichen.
Unter dem Gesichtspunkt der Optimierung der photonischen Bandlücke ist es umso besser, je dicker die leitfähige Schicht 25 ist. Dies liegt daran, dass die 2D-Photonenstruktur eine breite Frequenzbandlücke ergibt, wenn die Dicke gleich oder kleiner als die Gitterkonstante ist. In einem Beispiel wird eine optimale Gitterkonstante für die Lichtauskopplung bei 540 nm berechnet, so dass die Bandlücke umso breiter ist, je näher sie an dieser Dicke liegt.
Eine µLED als optoelektronische Lichtquelle 13 kann eine Größe im Bereich zwischen 10 µm und 1 µm, vorzugsweise zwischen 5 µm und 1 µm und weiter bevorzugt zwischen 2 µm und 1 µm aufweisen.
Die Größe wird entlang der x-Achse oder entlang der y-Achse gemessen. Die Höhe wird entlang der z-Achse gemessen.
5a zeigt ein photonisches Bandstrukturdiagramm für eine leitfähige Schicht 25 mit einer photonischen Kristallstruktur, die durch ein Dreiecksgitter von Löchern 35 mit einem Abstand von 540 nm und einem Lochradius von 178.2 nm realisiert ist. Die Schicht hat eine Dicke von 150 nm. Ein Bandstrukturdiagramm entspricht einem Dispersionsdiagramm, in dem die Frequenz über der Wellenzahl für eine photonische Struktur dargestellt ist, und das Bandstrukturdiagramm zeigt, welche Moden sich ausbreiten dürfen und welche Moden verboten sind. Das Zentrum des Strahlungskegels fällt mit dem Gamma-„Γ“-Punkt zusammen, dem hohen Symmetriepunkt in der Brillouin-Zone, wo kx = ky = 0. An diesem Punkt strahlen die Strahlungsmoden außerhalb der Ebene in z-Richtung.
5b zeigt ein photonisches Bandstrukturdiagramm für eine leitfähige Schicht 25, das dem von 5a ähnlich ist, wobei die leitfähige Schicht 25 im Bandstrukturdiagramm von 5b eine Dicke von 300 nm aufweist. Eine hohe Konzentration von Moden am Gamma-Punkt um die Emissionsfrequenz herum bedeutet eine höhere Emission außerhalb der Ebene oder eine höhere Lichtausbeute. Eine hohe Konzentration optischer Moden am Gamma-„T“-Punkt mit hoher Symmetrie und um die Emissionsfrequenz der Lichtquelle 13 herum führt also zu einer verbesserten Lichtextraktion und einer Kopplung der optischen Moden an den Lichtextraktionskegel.
Die leitfähige Schicht in 5b ist doppelt so dick wie die leitfähige Schicht in 5a, liefert aber aufgrund der Bandstruktur rund 36 % mehr Ausgangsleistung im Vergleich zu 5a. Zusätzlich zur Erzeugung einer Bandlücke zur Unterdrückung des Übersprechens kann eine photonische Kristallstruktur geführte Moden und eingefangene Moden in einen Extraktionskegel des emittierten Lichts einkoppeln. Die Moden im Extraktionskegel befinden sich in der Nähe des Γ-Punktes.
In Anbetracht der obigen Ausführungen sind einige Vorteile einer strukturierten leitfähigen Schicht aus photonischen Kristallen 25 auf Mikro-LEDs:

1. Erhöhung der Lichtausbeute (LEE) um bis zu 50%
2. Unterdrückung von Nebensprechen
3. Verbesserte Stromspreizung
4. Direktionalität
5. Erhöhung der Pixeldichte - durch Unterdrückung des Übersprechens
6. Hilfe bei der Geometrie - pLEDs sind sehr empfindlich gegenüber Resonanzen, und eine LEE-Schicht würde weniger Fertigungstoleranzen und andere Geometrien ermöglichen.

Bezugszeichenliste

11: äußerer Rahmen
13: optoelektronische Lichtquelle
15: aktive Region, aktive Zone
19: Mesa-Grenze
21: Metall und Passivierungsschicht
23: Epitaxieschichten
25: elektrisch leitfähige Schicht
27: photonische Kristallstruktur
29: Lichtaustrittsfläche
31: Luft
33: Metallschicht
35: Löcher
37: erste Kurve
39: zweite Kurve
41: photonische Banden

Claims

Eine optoelektronische Vorrichtung, umfassend: mindestens eine optoelektronische Lichtquelle (13) mit einem aktiven Bereich (15) zum Erzeugen von Licht und einer lichtemittierenden Oberfläche (29) zum Emittieren des erzeugten Lichts, eine elektrisch leitfähige Schicht (25), die sich zwischen der lichtemittierenden Oberfläche (29) und dem aktiven Bereich (15) erstreckt, und eine photonische Kristallstruktur (27), wobei die photonische Kristallstruktur (27) in der elektrisch leitfähigen Schicht (25) angeordnet ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die photonische Kristallstruktur (27) eine 2-dimensionale photonische Kristallstruktur ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die photonische Kristallstruktur (27) eine photonische Bandlücke oder eine partielle photonische Bandlücke zumindest für elektromagnetische Strahlung einer gegebenen Wellenlänge oder in einem gegebenen Wellenlängenbereich aufweist, die sich in einer seitlichen Richtung ausbreitet, wobei die seitliche Richtung parallel zu der lichtemittierenden Oberfläche (29) verläuft.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine optoelektronische Lichtquelle (13) durch eine Vielzahl von optoelektronischen Lichtquellen gebildet ist, wobei die optoelektronischen Lichtquellen (13) der Vielzahl von optoelektronischen Lichtquellen in einer arrayartigen Struktur angeordnet sind, wobei jede der optoelektronischen Lichtquellen einen aktiven Bereich (15) aufweist, der von den aktiven Bereichen (15) der anderen optoelektronischen Lichtquellen (13) getrennt ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Struktur (27) sich über alle optoelektronischen Lichtquellen (13) der Vielzahl von optoelektronischen Lichtquellen erstreckt.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die photonische Kristallstruktur (27) eine Vielzahl von Löchern (35) umfasst, die in der elektrisch leitfähigen Schicht (25) ausgebildet sind, wobei die Löcher (25) ein Gitter, beispielsweise ein hexagonales Gitter, bilden.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (35) mit einem dielektrischen Material gefüllt sind, das einen Brechungsindex aufweist, der sich vom Brechungsindex der elektrisch leitfähigen Schicht (25) unterscheidet.
Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Loch (35) eine Mittelachse aufweist, wobei die Mittelachsen der Vielzahl von Löchern (35) parallel zueinander angeordnet sind und/oder die Mittelachsen der Vielzahl von Löchern (35) orthogonal zu der lichtemittierenden Oberfläche (29) angeordnet sind.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Loch (35) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine optoelektronische Lichtquelle (13) eine µLED ist, insbesondere mit einer Größe im Bereich zwischen 10 µm und 1 µm, vorzugsweise zwischen 5 µm und 1 µm und weiter bevorzugt zwischen 2 µm und 1 µm.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (25) eine Höhe im Bereich zwischen 350 nm und 140 nm, vorzugsweise eine Höhe von 300 nm oder von 150 nm, aufweist.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (25) aus Indiumzinnoxid (ITO) gebildet ist.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die photonische Kristallstruktur (27) durch ein hexagonales Muster von Löchern (35) in der elektrisch leitfähigen Schicht (25) gebildet ist und eine Dicke von 300 nm, einen Lochradius von 178,2 nm und Abstände zueinander von 540 nm aufweist.
Optoelektronische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die photonische Kristallstruktur (27) insbesondere in Bezug auf ihre Dicke, ihre Abstände und ihren Lochradius (35) so gestaltet ist, dass eingefangene Moden und/oder geführte Moden an einen Extraktionskegel koppeln.
Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung, insbesondere einer optoelektronischen Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das Verfahren umfasst: Bereitstellen mindestens einer optoelektronischen Lichtquelle (13) mit einem aktiven Bereich (15) zur Erzeugung von Licht, Bereitstellen einer elektrisch leitfähigen Schicht (25) über dem aktiven Bereich (15), und Erzeugen einer photonischen Kristallstruktur (27) in der elektrisch leitfähigen Schicht (25).
Das Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine optoelektronische Lichtquelle durch eine Vielzahl von optoelektronischen Lichtquellen (13) gebildet ist, und dass das Verfahren ein Anordnen der optoelektronischen Lichtquellen (13) der mehreren optoelektronischen Lichtquellen in einer arrayartigen Struktur umfasst, wobei jede der optoelektronischen Lichtquellen (13) einen aktiven Bereich (15) aufweist, der von den aktiven Bereichen (15) der anderen optoelektronischen Lichtquellen (13) getrennt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die optoelektronischen Lichtquellen (13) durch einzelne Lichtquellen, vorzugsweise einzelne pLEDs, gebildet sind, die in der arrayartigen Struktur angeordnet sind.
Das Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (25) auf den optoelektronischen Lichtquellen (13) der Vielzahl von optoelektronischen Lichtquellen so vorgesehen ist, dass sie sich über alle optoelektronischen Lichtquellen (13) erstreckt.