EP2539754A1 - Verfahren zur bestimmung einer struktur eines halbleitermaterials mit vordefinierten elektrooptischen eigenschaften, verfahren zu dessen herstellung sowie halbleitermaterial - Google Patents

Verfahren zur bestimmung einer struktur eines halbleitermaterials mit vordefinierten elektrooptischen eigenschaften, verfahren zu dessen herstellung sowie halbleitermaterial

Info

Publication number
EP2539754A1
EP2539754A1 EP11704938A EP11704938A EP2539754A1 EP 2539754 A1 EP2539754 A1 EP 2539754A1 EP 11704938 A EP11704938 A EP 11704938A EP 11704938 A EP11704938 A EP 11704938A EP 2539754 A1 EP2539754 A1 EP 2539754A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
photonic
band gap
semiconductor material
semiconductor
semiconductors
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11704938A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marius c/o Andreas Peters PETERS
Benedikt BLÄSI
Jan Christoph Goldschmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2539754A1 publication Critical patent/EP2539754A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/005—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of photonic crystals or photonic band gap materials

Definitions

  • the present invention relates to a method for predefined setting of electro-optical
  • the present invention relates to a method for producing a corresponding semiconductor material by introducing a photonic patterning with the predetermined lattice constant in the semiconductor material.
  • the predetermined have electro-optical properties specified.
  • photonic crystal lasers are known.
  • photonic structures are used to influence the spontaneous emission of the semiconductor material. and reach a lower laser threshold (see, for example, K. Forberich, "Organic Photonic Crystal Lasers, Dissertation Freiburg 2005).
  • Claim 8 relates to a method for producing a semiconductor material, while with claim 10, a correspondingly manufactured semiconductor material is specified.
  • the invention thus provides a method for determining a lattice constant a of a one-, two- or Three-dimensional photonic structuring of a semiconductor material with a predetermined photonic band gap with predefined energetic position and width between two energy levels ⁇ and ⁇ 2 with ⁇ ⁇ 2 , depending on the energetic position and width of the electrical band gap of the semiconductor material underlying semiconductor with an electrical Bandgap of the energy amount e G , which includes the following steps:
  • the invention described below is therefore based on the idea of realizing a semiconductor in the form of a photonic structure. This results in a new class of materials with variable material properties. These are referred to below as meta-semiconductors. This material principle is particularly suitable for use in a solar cell, which is why this example is often used. It is emphasized, however, that the described concept is not limited to solar cells, but is to be understood abstractly.
  • Metamaterials are a particular class of artificially created structures where certain material properties are defined by the structure.
  • a prominent example here are materials with a negative refractive index.
  • the material property which is influenced here is the magnetic permeability.
  • photonic crystals can be understood as metamaterials in which the dispersion relation of the photons in the material is defined by the structure.
  • the effects that occur for photons in the photonic crystal are comparable to those of electrons in a semiconductor crystal.
  • the photonic crystal takes its name as well as its physical description.
  • a photonic band structure is formed for the photons in the photonic crystal.
  • a photonic band denotes a region of photons of particular energies and certain directions that can not exist within the photonic crystal. This results in no photons inside the band being able to enter the crystal from outside (it reflects perfectly) and that no photons can exit from inside (the emission is suppressed).
  • the electrical band gap of the semiconductor material from which the solar cell consists This applies to both single and multiple solar cells.
  • the electrical bandgap defines up to which energy G photons can be absorbed or emitted by the solar cell. The lower this energy is, the more photons can be used. However, the higher the electric band gap energy G , the larger the open circuit voltage of the solar cell. For maximum efficiency, therefore, there is a theoretical maximum for an electric bandgap energy of about 1.1 eV for a single solar cell, which is very close to the bandgap energy of silicon.
  • the bandgap energy ⁇ 9 is a material property. Especially for multiple solar cells is the possibility to pool these currencies ⁇ len and not be limited to the prescribed by nature energy advantage.
  • the semiconductor must be chosen, which is to be influenced by the structuring.
  • the choice of the semiconductor sets the
  • the frequency corresponding to the band gap between valence band and conduction band z G will be equal to or greater than the frequency that marks the lower limit of the photonic band ⁇ .
  • the frequency which marks the upper limit of the photonic band Z2 may be above z G (overlap of the bands).
  • ⁇ is already above ⁇ ⁇ (separation of the bands). The important thing here is that the position of the photonic band can be clearly defined for each purpose.
  • widths of the photonic band gaps are needed.
  • the width of such a band gap depends on the geometry of the structure as well as on the material parameters of the base material. It is therefore already largely determined by the steps a) and b) in principle.
  • the only choice is the geometry of the photonic crystal. A restriction therefore exists only in the available geometries.
  • a choice of the photonic crystal also has Effects on possible manufacturing processes and thus also depends on the semiconductor material used in this regard.
  • step a) and c) already allows the characteristic of the photonic crystal, its band structure, to be determined.
  • the band structure can be calculated using the program MPB (MIT Photonic-Bands, Version 1.4.2, available from the Massachusetts Institute of Technology). A detailed description of how to do this can be found in the literature:
  • the calculated band structure is given in standardized frequencies. This specification is due to the fact that the characteristic of a photonic crystal with respect to its wavelength with the period size is scaled (Doubling as the structure size of the pho ⁇ tonic crystal, one obtains a crystal having unchanged features, which now however at a twice as large wavelength occur). The required period size of the crystal So it is not fixed at this point. However, a clear definition is given by the fact that in step b) the absolute position of the band was determined. As a result, the period size of the photonic crystal can now be clearly defined.
  • the method according to the invention thus makes it possible to purposefully create a meta-semiconductor with predetermined electro-optic properties.
  • This meta-semiconductor consists eg of conventional semiconductor materials.
  • this semiconductor is patterned photonically, wherein this structure is designed such that the photonic band gap of the photonic structure and the electrical band gap of the matrix material are coordinated.
  • the ⁇ se coordination and the desired effect, which are intended with the combination (ie, the type of the photonic crystal) define the feature size of the photonic structure ⁇ as well as their shape.
  • Decisive are two parameters, the central wavelength ⁇ 0 of the photonic band gap of the band, wel ⁇ ches to be used and the width ⁇ of the photonic band.
  • the central wavelength ⁇ 0 defines the structure size ⁇ in a known photonic structure, the width can be influenced by the choice of the structure used in the case of a known matrix material, but also depends on ⁇ .
  • the following is to be achieved: Let there be a semiconductor material with an electric bandgap which is characterized by a wavelength ⁇ ⁇ .
  • the aim now is to bring this material into a photonic structure, so that the structure has a photonic band gap, which encloses an area containing ⁇ ⁇ and continues to a wavelength ⁇ 0 ⁇ , where ⁇ > ⁇ ⁇ ⁇ ,
  • the range between ⁇ 0 ⁇ and ⁇ ⁇ indicates the width that the photonic bandgap must at least have to be suitable for this application.
  • For a given matrix material and for a given range [ ⁇ 0 ⁇ , ⁇ ⁇ ] it can be calculated which photonic structures are suitable for this task.
  • a description of the method required can be found in Photonic Crystals - "Molding the Flow of Light" by John D. Joannopoulos (Princeton University Press (ISBN 0-691-03744-2).
  • the program MIT photonic bands can be used, which is freely accessible.
  • properties of photonic crystals can also be seen in the specialist literature, so that here too a selection of possible structures can be made.
  • the choice of the photonic structure and of the matrix material completely defines the photonic band structure of the meta-semiconductor.
  • This can also be calculated via the program MPB.
  • This program specifies the band structure in normalized frequencies.
  • the calculation of the Git ⁇ terkonstanten a can when ⁇ 0 ⁇ and ⁇ ⁇ are known, are calculated from these data.
  • This procedure can also be transferred to other possible applications, for example if a range [ ⁇ , ⁇ 2 ] is to be selected in which the photonic band gap is to be active, but this range is at wavelengths which are below ⁇ ⁇ .
  • a preferred embodiment of the invention provides that in step b) the photonic bandgap is selected such that the condition ⁇ 0 ⁇ 2 .
  • the photonic bandgap is chosen such that the energetic position of the upper edge of the photonic band gap is at a higher energy level than the energy upper limit of the electric band gap.
  • the photonic band gap is arranged so that it partially overlaps energetically ⁇ with the electrical band gap.
  • the electric band gap is applied so that the following condition applies: Ei G ⁇ 2
  • a further preferred embodiment provides that the photonic band gap is applied in an energy-separated manner from the electrical band gap.
  • the photonic band gap is set energetically over the existing electrical band gap.
  • the condition is: e G ⁇ EL
  • the inventive method is suitable in principle with all semiconductors, preferably, the semiconductor used, the selected in step a) ⁇ to, but selected from the group consisting of IV semiconductors, III-V semiconductors, II-VI semiconductors, are III-VI semiconductors, I-III-VI semiconductors, IV-IV semiconductors and / or combinations thereof.
  • the following semiconductors are particularly preferably used: a) IV semiconductors made of Si and / or Ge,
  • Semiconductor materials in particular ternary or quaternary semiconductor of the aforementioned materials.
  • Preferred photonic structures that can be selected in step c) are selected from the group consisting of Bragg stacks, 2D or SD photonic crystals, in particular inverted opals. Three-dimensional photonic crystals, in particular inverted opals, are particularly preferred.
  • a process for the preparation ⁇ position of a semiconductor material having a predefi ⁇ ned electro-optical energy band structure is also provided in which the following steps are performed by ⁇ : a) Determining a lattice constant a of a one-, two- or three-dimensional photonic structuring of a semiconductor material according to one of the preceding claims, as well as
  • the manufacture of the photonic structure in or from a respective semiconductor material may preferably be effected by lithographic processes, etching, holographic methods, self-organization, nanorobotic methods, ion drilling, directional deposition, direct laser writing and / or inversion processes.
  • a semiconductor material which has an electrical bandgap of the energy amount e G , which has a predetermined photonic structuring with a photonic bandgap between two energy levels ⁇ and ⁇ 2 , where ⁇ ⁇ 2 .
  • a semiconductor material which has a precisely predetermined position of a phase which is matched to the electrical band gap. has a tonic band gap.
  • the semiconductor material may be further processed according to the methods further known in the art, e.g. can be doped and / or electrically contacted on the front and / or back, so that it can be used to produce solar cells, diodes, light-emitting diodes or laser diodes.
  • the invention relates to a method for producing a meta-material with adjustable electro-optical bandgap energy. This is achieved by combining a classic semiconductor with a photonic structure.
  • the photonic structure should in principle be a complete photonic
  • This band gap prevents the Absorption and emission of photons with energies ⁇ ⁇ hv ⁇ 2 within the photonic band gap.
  • e G the absorption and emission of photons for all energies ⁇ ⁇ e G is prohibited.
  • these absorption and emission properties also combine.
  • a particularly illustrative case occurs when the electric band gap energy is within the photonic band gap ⁇ ⁇ G ⁇ 2 . Measured by the absorption and emission properties, such a structure is indistinguishable from a classical semiconductor with the electric bandgap energy ⁇ 2 .
  • this invention generally describes a new class of material, a new type of semiconductor, which claims relevance everywhere. where the bandgap energy of the semiconductor is important.
  • an eta semiconductor may be e.g. so that a semiconductor material having a high degree of radiative recombination (such as GaAs) is made into the shape of an inverted opal.
  • the dimensions of the opal should be chosen so that the complete optical band gap overlaps the electrical band gap (period of the opal structure about 350 nm). This gives the meta-semiconductor.
  • embodiments of a semiconductor material in the form of a photonic structure which has a complete photonic bandgap and is electrically contacted, or a solar cell / LED / - Sensor in the form of a photonic structure with a complete band gap possible.
  • FIG. 1 a shows the electro-optical properties of a semiconductor material which has a photonic band gap separated from the electrical band gap.
  • the photonic band gap is energetically higher than the electric band gap, ie E G ⁇ , where G represents the energy of the band gap.
  • G represents the energy of the band gap.
  • the semiconductor can not absor ⁇ beers in the field of electrical bandgap even in the field of photonic band gap energy radiation, so here absorbency of a derarti ⁇ gen semiconductor material ideally falls to zero. In the "allowed" areas between the bands absorption is possible.
  • FIG. 2 shows a possible structure for He ⁇ generation of a photonic band gap is shown, this is in the present case, an inverted Opal, wherein Figure 2 shows a two-dimensional section or a section through a three-dimensional actually len photonic crystal represents.
  • FIG. 2 shows a meta-semiconductor consisting of GaAs, with the photonic structure of an inverted opal. Light with energies in the electric
  • Band gap can not lift electrons into the conduction band and therefore can neither be absorbed nor emitted. Incident light is transmitted. Light in the photonic band gap can not exist in the photonic crystal and also can not be emitted. Incident light is reflected and therefore can not be absorbed ⁇ the.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur vordefinierten Einstellung von elektrooptischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien, durch Bestimmung einer Gitterkonstante, die einer photonischen Strukturierung des Halbleitermaterials zugrunde gelegt wird. Die sich durch die photonische Strukturierung ergebende photonische Bandlücke korreliert dabei in vorbestimmter Weise mit der im Halbleitermaterial inhärent enthaltenen elektrischen Bandlücke. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Halbleitermaterials durch Einbringen einer photonischen Strukturierung mit der vorbestimmten Gitterkonstante in das Halbleitermaterial. Erf indungsgemäß werden ebenso Halbleitermaterialien, die die vorbestimmten elektrooptischen Eigenschaften aufweisen, angegeben.

Description

Verfahren zur Bestimmung einer Struktur eines Halbleitermaterials mit vordefinierten elektrooptischen Eigenschaften, Verfahren zu dessen Herstellung sowie
Halbleitermaterial
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur vordefinierten Einstellung von elektrooptischen
Eigenschaften von Halbleitermaterialien, durch Bestimmung einer Gitterkonstante, die einer photonischen Strukturierung des Halbleitermaterials zugrunde gelegt wird. Die sich durch die photonische Strukturierung ergebende photonische Bandlücke korreliert dabei in vorbestimmter Weise mit der im Halbleitermaterial inhärent enthaltenen elektrischen Bandlücke. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Halbleitermaterials durch Einbringen einer photonischen Strukturierung mit der vorbestimmten Gitterkonstante in das Halbleitermaterial. Erfindungsgemäß werden ebenso Halbleitermaterialien, die die vorbestimmten elektrooptischen Eigenschaften aufweisen, angegeben.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass sich die Emission eines Materials durch eine photonische
Struktur beeinflussen lässt (T. Jones, „Thermal emis- sion by metallic photonic crystal slab", APL 89, 041915 2006) . Allerdings beschreibt diese Veröffentlichung weder die Möglichkeit der Beeinflussung der Bandlückenenergie, noch die Möglichkeit, hieraus eine Solarzelle oder ein sonstiges Bauelement mit einstellbaren Materialeigenschaften zu schaffen.
Bekannt sind ferner andere Möglichkeiten, die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters zu beein- flussen. Diese zielen z.B. auf Quanteneffekte ab.
Diese Quanteneffekte werden verwendet, um die Ausbreitung der Elektron-Wellenfunktion einzuschränken, wodurch sich die energetischen Zustände in den Strukturen verändern. Dies erfolgt in einer (quantum wells) , zwei oder drei (quantum dots) Dimensionen
(z.B. Song, „Structural, electrical and photovoltaic characterization of Si nanocrystals embedded SiC mat- rix and Si nanocrystals/c-Si heteroj unction—devices" , Solar Enerqy Materials and Solar Cells 92 (2008) 474- 481. Es gibt auch andere Möglichkeiten, die elektrischen Eigenschaften zu ändern, etwa durch Materialkomposition oder auch Dotierung. Der Vorteil gegenüber Quantenstrukturen ist die größere Strukturgröße und damit die potentiell bessere Herstellbarkeit, der Vorteil gegenüber anderen Methoden ist die zu erwartende gewonnene Designfreiheit (Materialkompositionen können nur begrenzt die gewünschten Effekte liefern) .
Ebenso sind photonische Kristalllaser bekannt. Hier- bei werden photonische Strukturen verwendet, um die spontane Emission des Halbleitermaterials zu beein- flussen und eine niedrigere Laserschwelle zu erreichen (siehe etwa K. Forberich, „Organische Photonische Kristall-Laser, Dissertation Freiburg 2005) .
Allerdings ist keiner der bisher erschienenen Publi kationen eine gezielte Vorgehensweise zu entnehmen, mit der die photonische Strukturierung eines Halble termaterials insofern genau auf die Art des Halblei termaterials abgestimmt werden kann, dass sich eine genau vorbestimmte Korrelation der Lage der photoni sehen Bandlücke und der elektrischen Bandlücke ergibt .
Ausgehend hiervon ist es somit Aufgabe der vorliegen- den Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das die genaue Bestimmung der Gitterkonstante einer photonischen Strukturierung eines Halbleitermaterials ermöglicht, wodurch die energetische Lage der photonischen Bandlücke genau auf die energetische Lage der elek- trischen Bandlücke abgestimmt werden kann. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ebenso ein Fertigungsverfahren für ein derart abgestimmtes Halbleitermaterial anzugeben. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Halbleitermaterial mit abgestimmter photonischer und elektronischer Bandlücke anzugeben.
Bezüglich des Verfahrens zur Bestimmung der Gitterkonstante wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Patentanspruch 8 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermaterials, während mit Patentanspruch 10 ein entsprechend gefertigtes Halbleitermaterial angegeben wird.
Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zur Bestimmung einer Gitterkonstante a einer ein-, zwei- oder dreidimensionalen photonischen Strukturierung eines Halbleitermaterials mit einer vorgegebenen photonischen Bandlücke mit vordefinierter energetischer Lage und Breite zwischen zwei Energieniveaus ει und ε2 mit ει < ε2, in Abhängigkeit von der energetischen Lage und Breite der elektrischen Bandlücke des dem Halbleitermaterial zu Grunde liegenden Halbleiters mit einer elektrischen Bandlücke des Energiebetrags eG, das die folgenden Schritte umfasst:
a) Wahl des Halbleitermaterials,
b) Wahl der energetischen Position (d.h. der relativen Position zur elektrischen Bandlücke) und/oder der Breite (d.h. des Betrags der Differenz ε2 - εχ) der der photonischen Bandlücke in Bezug auf die elektrische Bandlücke des Halbleiters, c) Wahl der Art der vorzunehmenden photonischen
Strukturierung, sowie
d) Ermittlung der Gitterkonstante a der photonischen Bandlücke aus den in den Schritten a) bis c) vorgegebenen Parametern.
Der im Folgenden beschriebenen Erfindung liegt somit die Idee, einen Halbleiter in Form einer photonischen Struktur zu realisieren, zugrunde. Daraus resultiert eine neue Klasse von Materialien mit variablen Materialeigenschaften. Diese werden im Folgenden als Me- ta-Halbleiter bezeichnet. Dieses Materialprinzip eignet sich insbesondere zur Anwendung für eine Solarzelle, weswegen häufig auf dieses Beispiel zurückgegriffen wird. Es wird jedoch betont, dass das beschriebene Konzept nicht auf Solarzellen beschränkt ist, sondern abstrakt zu verstehen ist.
Grundlagen der vorliegenden Erfindung bilden das Verständnis von Metamaterialien und photonischen Kris- tallen. Metamaterialien sind eine bestimmte Klasse von künstlich erzeugten Strukturen, bei denen bestimmte Materialeigenschaften durch die Struktur definiert sind. Ein prominentes Beispiel hier sind Materialien mit negativem Brechungsindex. Die Materialeigenschaft die hierbei beeinflusst wird, ist die magnetische Permeabilität.
Photonische Kristalle können in diesem Sinne als Metamaterialien verstanden werden, bei denen die Dispersionsrelation der Photonen im Material durch die Struktur definiert wird. Die Effekte, die für Photonen im photonischen Kristall auftreten, sind vergleichbar denen von Elektronen in einem Halbleiterkristall. Aus dieser Analogie bezieht der photonische Kristall seinen Namen als auch seine physikalische Beschreibung. Ähnlich wie für die Elektronen im Halbleiter bildet sich für die Photonen im photonischen Kristall eine photonische Bandstruktur aus. Ein photonisches Band bezeichnet eine Region von Photonen bestimmter Energien und bestimmter Richtungen, die innerhalb des photonischen Kristalls nicht existieren können. Dies führt dazu, dass innerhalb des Bandes keine Photonen von außen in den Kristall hinein können (er reflektiert perfekt) und dass von innen keine Photonen hinaus können (die Emission ist unterdrückt) . Unterschieden wird zwischen vollständigen und unvollständigen photonischen Bändern. In einem vollständigen photonischen Band sind für Photonen bestimmter Energien alle Richtungen ausgeschlossen, in einem unvollständigen photonischen Band sind manche Richtungen erlaubt, andere nicht. Ein photonischer Kristall kann sowohl vollständige als auch unvollständige photonische Bänder enthalten. In einer Solarzelle werden elektrische und optische Eigenschaften miteinander verknüpft, weswegen eine Beeinflussung optischer Eigenschaften Konsequenzen auf die elektrischen Eigenschaften haben kann (und umgekehrt ) .
Wesentlich für den mit einer Solarzelle erreichbaren Wirkungsgrad ist die elektrische Bandlücke des Halbleitermaterials, aus dem die Solarzelle besteht. Dies gilt sowohl für Einzel- als auch für Mehrfachsolarzellen. Die elektrische Bandlücke definiert, bis zu welcher Energie G Photonen von der Solarzelle absorbiert oder emittiert werden können. Je niedriger diese Energie ist, desto mehr Photonen können verwendet werden. Die LeerlaufSpannung der Solarzelle ist jedoch umso größer, je ;höher die elektrische Bandlückenenergie G ist. Für den maximalen Wirkungsgrad ergibt sich deshalb ein theoretisches Maximum für eine elektrische Bandlückenenergie von etwa 1.1 eV für eine Einzelsolarzelle, was sehr nahe an der Bandlückenenergie von Silizium liegt. Die Bandlückenenergie ε9 ist eine Materialeigenschaft. Insbesondere für Mehrfachsolarzellen ist die Möglichkeit diese zu wäh¬ len und nicht auf die von der Natur vorgegebenen Energien beschränkt zu sein von Vorteil.
Die erfindungswesentlichen Schritte des erfindungsge¬ mäßen Verfahrens werden in den nachfolgenden Ausführungen näher erläutert.
1. Schritt a) : Wahl des Halbleiters
Als erster Schritt muss der Halbleiter gewählt werden, der durch die Strukturierung beeinflusst werden soll. Die Wahl des Halbleiters legt die
Materialpärameter fest, die zur Bestimmung der Gitterkonstante a benötigt werden. Im Prinzip liegen hier keinerlei Einschränkungen bezüglich der Wahl des Basismaterials vor.
Schritt b) : Wahl der Position der photonischen Bandlücke
Diese Wahl hängt vom verwendeten Basishalbleitermaterial ab, sowie vom vorgesehenen Zweck. Möchte man etwa die photonische Bandlücke direkt an die elektrische anschließen lassen, so wird die Frequenz, die dem Bandabstand zwischen Valenz- und Leitungsband zG entspricht, gleich oder größer der Frequenz, welche die untere Grenze des photonischen Bandes εχ markiert.
Gleichzeitig kann die Frequenz, welche die obere Grenze des photonischen Bandes markiert Z2 oberhalb von zG liegen (Überlapp der Bänder) . Für andere Zwecke kann es jedoch auch vorteilhaft sein, wenn ι bereits oberhalb von εΕ liegt (Separation der Bänder) . Wichtig ist hier nur, dass die Position des photonischen Bandes für jeden Zweck eindeutig festgelegt werden kann.
Schritt c) : Wahl des photonischen Kristalls
Für bestimmte Zwecke werden definierte Breiten der photonischen Bandlücken benötigt. Die Breite einer solchen Bandlücke hängt von der Geometrie der Struktur sowie von den Materialparametern des Basismaterials ab. Sie ist damit im Prinzip durch die Schritte a) und b) bereits weitestgehend festgelegt. Die einzige Wahlmöglichkeit besteht in der Geometrie des photonischen Kristalls. Eine Beschränkung besteht somit lediglich in den zur Verfügung stehenden Geometrien. Eine Wahl des photonischen Kristalls hat zudem Aus- Wirkungen auf mögliche Herstellungsprozesse und hängt somit auch in dieser Hinsicht vom verwendeten Halbleitermaterial ab.
Schritt d) : Bestimmung der photonischen Bandlücke und Wahl der benötigten Periodengröße
Mit den Informationen aus Schritt a) und c) lässt sich bereits die Charakteristik des photonischen Kristalls, seine Bandstruktur, bestimmen. Die Berechnung der Bandstruktur kann dabei über das Programm MPB (MIT Photonic-Bands , Version 1.4.2, erhältlich über das Massachusetts Institute of Technology) erfolgen. Eine detaillierte Beschreibung, wie dies zu erfolgen hat, kann in der Literatur gefunden werden:
S.G. Johnson, J.D., Joannopoulos , "Block-iterative frequency-domain methods for Maxwell' s equations in a planewave basis", Optics Express, vol. 8, No. 3, pp. 173-190, Jan. 29, 2001.
J.D. Joannopoulos, R. D. Meade, J. N. Winn
Photonic Crystals, "Molding the Flow of Light", Princeton University Press 1995.
Die berechnete Bandstruktur wird dabei in normierten Frequenzen angegeben. Diese Angabe ist der Tatsache geschuldet, dass die Charakteristik eines photonischen Kristalls bezüglich seiner Wellenlänge mit der Periodengröße skaliert wird (Verdoppelt man z.B. die Strukturgröße des pho¬ tonischen Kristalls, erhält man einen Kristall mit unveränderten Eigenschaften, die nun jedoch bei einer doppelt so großen Wellenlänge auftreten) . Die benötigte Periodengröße des Kristalls ist also an dieser Stelle noch nicht festgelegt. Eine eindeutige Festlegung ist aber dadurch gegeben, dass in Schritt b) die absolute Position des Bandes festgelegt wurde. Dadurch lässt sich nun auch die Periodengröße des photonischen Kristalls eindeutig festlegen.
Mit dieser Rechnung ist nun auch die Breite der photonischen Bandlücke bekannt. Sollte diese nun nicht den Anforderungen genügen, muss gegebenenfalls Schritt c) und d) wiederholt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es somit, gezielt einen Meta-Halbleiter mit vorgegebenen elek- trooptischen Eigenschaften zu kreieren. Dieser MetaHalbleiter besteht z.B. aus herkömmlichen Halbleitermaterialien. Zusätzlich wird dieser Halbleiter photonisch strukturiert, wobei diese Struktur derart gestaltet ist, dass die photonische Bandlücke der photonischen Struktur und die elektrische Bandlücke des Matrixmaterials aufeinander abgestimmt sind. Die¬ se Abstimmung und der angestrebte Effekt, der mit der Kombination bezweckt werden, definieren die Strukturgröße der photonischen Struktur Λ sowie deren Form (also die Art des photonischen Kristalls) . Entscheidend sind dabei zwei Parameter, die zentrale Wellenlänge λ0 der photonischen Bandlücke des Bandes, wel¬ ches verwendet werden soll und die Breite Δ des photonischen Bandes. Die zentrale Wellenlänge λ0 definiert bei einer bekannten photonischen Struktur die Strukturgröße Λ, die Breite kann bei bekanntem Matrixmaterial durch die Wahl der verwendeten Struktur beeinflusst werden, hängt aber auch von Λ ab.
Im Folgenden wird nun das Vorgehen in konkreten
Schritten für bestimmte Randbedingungen beschrieben. Im ersten Szenario soll folgendes erreicht werden: Es sei ein Halbleitermaterial gegeben mit einer elektrischen Bandlücke, welche durch eine Wellenlänge λΕ gekennzeichnet ist. Ziel ist es nun, dieses Material in eine photonische Struktur zu bringen, so dass die Struktur eine photonische Bandlücke aufweist, welche einen Bereich umschließt, der λΕ enthält und weiter bis zu einer Wellenlänge λ0Ε geht, wobei gilt λς>Ε < λΕ. Der Bereich zwischen λ0Ε und λΕ gibt die Breite an, die die photonische Bandlücke mindestens haben muss, um für diese Anwendung geeignet zu sein. Für ein gegebenes Matrixmaterial und für einen gegebenen Bereich [λ0Ε, λΕ] kann berechnet werden, welche photonischen Strukturen für diese Aufgabe in Frage kommen. Eine Beschreibung der dazu notwendigen Methode findet sich in Photonic Crystals - "Molding the Flow of Light" von John D. Joannopoulos (Princeton University Press (ISBN 0-691-03744-2) .
Konkret kann dazu das Programm MIT Photonic Bands (MPB) verwendet werden, welches frei zugänglich ist. Alternativ können Eigenschaften von photonischen Kristallen auch in der Fachliteratur eingesehen werden, so dass auch hier eine Auswahl möglicher Strukturen erfolgen kann.
Über die Wahl der photonischen Struktur und des Matrixmaterials ist weiterhin die photonische Bandstruktur des Meta-Halbleiters vollständig definiert. Diese kann ebenfalls über das Programm MPB berechnet werden. In diesem Programm wird die Bandstruktur in normierten Frequenzen angegeben. Die Berechnung der Git¬ terkonstanten a kann, wenn λ0Ε und λΕ bekannt sind, aus diesen Angaben berechnet werden. Dieses Vorgehen lässt sich auch auf andere mögliche Anwendungen übertragen, etwa wenn ein Bereich [λι, λ2] gewählt werden soll, in welchem die photonische Bandlücke aktiv sein soll, dieser Bereich sich aber bei Wellenlängen befindet, die sich unterhalb von λΕ befinden .
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in Schritt b) die photonische Bandlücke so gewählt wird, dass die Bedingung ε0 < 2 gilt. Gemäß dieser Ausführungsform wird die photonische Bandlücke so gewählt, dass die energetische Lage der Oberkante der photonischen Bandlücke auf einem energetischen höheren Niveau liegt als die energetische Obergrenze der elektrischen Bandlücke.
Für diesen Fall sind zwei Spezialfälle denkbar, die beide bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen. In einem ersten. Fall wird die photonische Bandlücke so arrangiert, dass sie energetisch teil¬ weise mit der elektrischen Bandlücke überlappt. In dieser Ausführungsform wird also die elektrische Bandlücke so angelegt, dass die folgende Bedingung gilt: Ei G < ε2
Hierbei wird also ein Halbleitermaterial erzeugt, das gegenüber Licht veränderte absorptive Eigenschaften aufweist. Die effektive Bandlücke eines derartigen Materials ergibt sich somit aus der elektrischen Bandlücke eG in Kombination mit dem Teil der photonischen Bandlücke, der energetisch mit der elektrischen Bandlücke überlappt. Somit kann ein Halbleitermateri¬ al erhalten werden, dessen elektrooptische Bandlücke (d.h. der Bandlücke, die durch Kombination der elek- frischen mit der optischen Bandlücke resultiert) im
Vergleich zur elektrischen Bandlücke (d.h. der Ab- stand von Valenz- und Leitungsband) des unstrukturierten Halbleitermaterials vergrößert ist. Mit anderen Worten wird die Absorptionskante eines derartigen Halbleitermaterials zum blauen Ende des optischen Spektrums hin verschoben.
Eine weiter bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die photonische Bandlücke energetisch separiert von der elektrischen Bandlücke angelegt wird. Dabei wird die photonische Bandlücke energetisch über die bestehende elektrische Bandlücke gesetzt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung gilt die Bedingung: eG < EL
Auch durch diese Ausführungsform lassen sich Materialien erhalten, die eine veränderte Absorptivität gegenüber Licht verglichen mit dem unstrukturierten Ausgangsmaterial aufweisen, da in einem höher energetischen Bereich eine verbotene Zone für Photonen eingerichtet wird, so dass eine Absorption von Photonen definierter Wellenlänge in einem bestimmten Bereich verboten ist. Im idealen Fall gilt Absorptivität = Emissivität. Eine Einschränkung der Absorption ist also auch gleich eine Einschränkung der Emission.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich prinzipiell mit allen Halbleitern, bevorzugt sind die verwendeten Halbleiter, die in Schritt a) ausgewählt wer¬ den, jedoch ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus IV-Halbleitern, III-V-Halbleitern, I I-VI-Halbleitern, III-VI-Halbleitern, I-III-VI-Halbleitern, IV-IV- Halbleitern und/oder Kombinationen hieraus. Besonders bevorzugt werden folgende Halbleiter verwendet : a) IV-Halbleiter aus Si und/oder Ge,
b) III-V-Halbleiter aus GaP, GaAs , InP, InSb, InAs, GaSb, GaN, A1N, InN, AlxGax-xAs, InxGai_xN, und/oder Kombinationen hieraus,
c) II-VI-Halbleiter aus ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, Hga_x)Cdlx,Te, BeSe, BeTe, HgS und/oder Kombinationen hieraus,
d) III-VI-Halbleiter aus GaS, GaSe, GaTe, InS,
InSe, InTe und/oder Kombinationen hieraus, e) I-III-VI-Halbleiter aus CuInSe2, CuInGaSe2,
CuInS2, CuInGaS2 und/oder Kombinationen hieraus, f) IV-IV-Halbleiter aus Sic und/oder SiGe und/oder g) chemischen Verbindungen der zuvor genannten
Halbleitermaterialien, insbesondere ternäre oder quaternäre Halbleiter aus den zuvor genannten Materialien .
Bevorzugte photonische Strukturen, die in Schritt c) gewählt werden können, sind dabei ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bragg-Stapeln, 2D- oder SD- photonischen Kristallen, insbesondere invertierten Opalen. Dabei sind dreidimensionale photonische Kristalle, insbesondere invertierte Opale, besonders bevorzugt .
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Her¬ stellung eines Halbleitermaterials mit einer vordefi¬ nierten energetischen elektrooptischen Bänderstruktur bereitgestellt, bei dem die folgenden Schritte durch¬ geführt werden: a) Bestimmung einer Gitterkonstante a einer ein-, zwei- oder dreidimensionalen photonischen Strukturierung eines Halbleitermaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sowie
b) Fertigung der photonischen Struktur mit Gitterkonstante a im Halbleiter.
Wurden die Schritte a) bis d) des eingangs beschriebenen erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens ausgeführt, liegen alle Informationen vor, die benötigt werden, um den entsprechenden photonischen Kristall zu fertigen. Um daraus in einem weiteren Schritt ein elektrisches Halbleiterbauelement zu fertigen, sind weitere Fertigungsschritte nötig, die je nach Element unterschiedlich sein können.
Bevorzugt kann die Fertigung der photonischen Struktur in oder aus einem jeweiligen Halbleitermaterial dabei durch lithographische Prozesse, Ätzen, holographische Methoden, Selbstorganisation, nanorobotische Methoden, Ionenbohren, gerichtetes Abscheiden, direktes Laserschreiben und/oder Inversionsprozesse erfolgen .
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Halbleitermaterial vorgeschlagen, das eine elektrische Bandlücke des Energiebetrags eG, das eine vorbestimmte photonische Strukturierung mit einer photonischen Bandlücke zwischen zwei Energieniveaus ει und ε2 aufweist, wobei ει < ε2 gilt.
Erfindungsgemäß wird somit erstmals ein Halbleitermaterial angegeben, das eine genau vorbestimmte und auf die elektrische Bandlücke abgestimmte Lage einer pho- tonischen Bandlücke aufweist.
Das Halbleitermaterial kann selbstverständlich gemäß den weiter aus dem Stand der Technik bekannten Vorge- hensweisen weiter verarbeitet werden, z.B. dotiert werden und/oder auf der Vorder- und/oder Rückseite elektrisch kontaktiert werden, so dass sich daraus Solarzellen, Dioden, Leuchtdioden oder Laserdioden herstellen lassen.
Systeme, für die diese Technik interessant ist, sind Einfach- und Mehrfachsolarzellen mit einstellbarer Bandlücke zu, so wie z.B. auch LED's oder Lasersysteme. Des weiteren unterscheiden sich die bekannten physikalischen Effekte, mit denen die Bandstruktur-
Architektur erreicht werden soll, von dem hier beschriebenen Effekt wesentlich. Dadurch ist zu erwarten, dass auch die Randbedingungen, unter denen sich der beschriebene Effekt auswirkt, wesentlich unter- schiedlich zu den bekannten sein werden. Denkbar sind
Anwendungen in allen Bereichen in der Elektrik und Optik, also auch z.B. Informations- und Datentechnik, Detektoren etc. Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungen näher beschrieben, ohne den Gegen¬ stand der Erfindung auf die speziellen Parameter zu beschränken . Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Meta-Materials mit einstellbarer elektro- optischer Bandlückenenergie. Dies wird erreicht, indem ein klassischer Halbleiter mit einer photonischen Struktur kombiniert wird. Die photonische Struktur soll dabei im Prinzip eine vollständige photonische
Bandlücke aufweisen. Diese Bandlücke verhindert die Absorption und Emission von Photonen mit Energien ει < hv < ε2 innerhalb der photonischen Bandlücke. Für einen klassischen Halbleiter mit der elektrischen Bandlückenenergie eG ist die Absorption und Emission von Photonen für alle Energien ε < eG verboten. Durch eine Kombination eines klassischen Halbleiters mit einer photonischen Struktur kombinieren sich auch diese Absorptions- und Emissionseigenschaften. Ein besonders illustrativer Fall tritt ein, wenn die elektrische Bandlückenenergie innerhalb der photonischen Bandlücke liegt ει < G < ε2. Gemessen an den Absorptions- und Emissionseigenschaften ist eine solche Struktur von einem klassischen Halbleiter mit der elektrischen Bandlückenenergie ε2 nicht zu unterscheiden. In diesem Sinne können die elektrische und die optische Bandlücke nicht sinnvoll getrennt werden, wodurch sich eine neue, elektrooptische Bandlücke ergibt. Da über die photonische Struktur ε2 mit großer Freiheit gewählt werden kann, ergibt sich dadurch eine Designfreiheit der elektrischen Eigenschaften, die für einen klassischen Halbleiter nicht existiert .
Im letzen Abschnitt wird ein vergleichsweise einfa¬ cher Fall geschildert, mit nur einer photonischen Bandlücke und dem Beispiel, dass sich diese mit der elektrischen Bandlücke überschneidet. Es können sich jedoch interessante Materialien mit mehreren Bandlücken an verschiedenen Stellen ergeben. Im Hinblick auf eine Solarzelle können derartig angelegte Zwischenbänder dazu verwendet werden, die Absorptivität einer Solarzelle gezielt zu beeinflussen.
Abgesehen von Solarzellen beschreibt diese Erfindung im Allgemeinen eine neue Materialklasse, einen neuen Halbleitertypus, der überall dort Relevanz beanspru- chen kann, wo die Bandlückenenergie des Halbleiters wichtig ist.
Eine mögliche Realisierung eines eta-Halbleiters kann z.B. so aussehen, dass ein Halbleitermaterial, weiches ein hohes Maß an strahlender Rekombination aufweist (etwa GaAs) , in die Form eines invertierten Opals gebracht wird. Die Abmessungen des Opals sind so zu wählen, dass die vollständige optische Bandlücke mit der elektrischen Bandlücke überlappt (Periode der Opalstruktur ca. 350 nm) . Dies ergibt den MetaHalbleiter .
Um daraus weiterhin eine Solarzelle zu fertigen, müssen entsprechende Dotierungsschritte sowie eine Kon- taktierung durchgeführt werden.
Neu an der vorliegenden Erfindung ist die Art und Weise, wie eine Einstellung der Bandlücke eines Halbleiters erreicht werden soll. Erreicht wird diese über die Kopplung elektrischer- und photonischer Effekte, wodurch ein Material entsteht, welches sich von einem klassischen Halbleiter deutlich unterschei¬ det und welches einer physikalisch neuen Beschreibung bedarf. Dieses neue Material wird sowohl durch seine elektrischen Eigenschaften wie auch durch seine (photonische) Struktur bestimmt, weswegen man von Meta¬ Halbleiter (in Anlehnung an Metamaterialien ) spricht. Mögliche Einsatzgebiete dieses neuen Materials finden sich überall dort, wo auch klassische Halbleiter eingesetzt werden.
Ebenso sind Ausführungen eines Halbleitermaterials in Form einer photonischen Struktur, welches eine vollständige photonische Bandlücke aufweist und elektrisch kontaktiert ist, oder einer Solarzelle/LED/- Sensor in Form einer photonischen Struktur mit einer vollständigen Bandlücke möglich.
In Figur la sowie lb ist das Absorptions- und Emissionsverhalten eines klassischen Halbleiters dargestellt, der eine photonische Strukturierung aufweist. In Figur la sind die elektrooptischen Eigenschaften eines Halbleitermaterials angegeben, das eine von der elektrischen Bandlücke separierte photonische Bandlücke aufweist. Die photonische Bandlücke ist dabei energetisch höher angelegt als die elektrische Bandlücke, d.h. EG < ει, wobei G die Energie der Bandlücke darstellt. Zwischen den einzelnen Bändern liegt ein energetischer Bereich Δε, in dem der Halbleiter normal absorbiert. Der Halbleiter kann jedoch weder im Bereich der elektrischen Bandlücke noch im Bereich der photonischen Bandlücke Strahlungsenergie absor¬ bieren, so dass hier die Absorptivität eines derarti¬ gen Halbleitermaterials idealerweise auf Null fällt. In den zwischen den Bändern liegenden „erlaubten" Bereichen ist eine Absorption möglich.
In Figur lb ist ein alternativer photonisch strukturierter Halbleiter dargestellt, wobei hier die photo¬ nische Bandlücke so angelegt ist, dass sie mit der elektrischen Bandlücke überlappt, d.h. es gilt ει < G < ε2. Dies resultiert effektiv in einer ver¬ größerten elektrooptischen Bandlücke der Größe ε2, so dass der minimal mögliche Energiegehalt von Photonen, die der Halbleiter absorbieren kann, vergrößert wird.
In Figur 2 ist eine mögliche Strukturierung zur Er¬ zeugung einer photonischen Bandlücke dargestellt, dies ist im vorliegenden Fall ein invertierter Opal, wobei Figur 2 einen zweidimensionalen Ausschnitt bzw. einen Schnitt durch einen eigentlich dreidimensiona- len photonischen Kristall darstellt.
Figur 2 zeigt einen Meta-Halbleiter bestehend aus GaAs, mit der photonischen Struktur eines invertier- ten Opals. Licht mit Energien in der elektrischen
Bandlücke kann keine Elektronen in das Leitungsband anheben und kann deshalb weder absorbiert noch emittiert werden. Einfallendes Licht wird transmittiert . Licht in der photonischen Bandlücke kann im photoni- sehen Kristall nicht existieren und kann ebenfalls nicht emittiert werden. Einfallendes Licht wird reflektiert und kann deshalb auch nicht absorbiert wer¬ den .

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Bestimmung einer Gitterkonstante a einer ein-, zwei- oder dreidimensionalen photonischen Strukturierung eines Halbleitermaterials mit einer vorgegebenen photonischen Bandlücke mit vordefinierter energetischer Lage und Breite zwischen zwei Energieniveaus Z\ und ε2 mit ει < ε2, in Abhängigkeit von der energetischen Lage und Breite der elektrischen Bandlücke des dem Halbleitermaterial zu Grunde liegenden Halbleiters mit einer elektrischen Bandlücke des Energiebetrags ZQ mit folgenden Schritten:
a) Wahl des Halbleitermaterials,
b) Wahl der energetischen Position und/oder der Breite der der photonischen Bandlücke in Bezug auf die elektrische Bandlücke des Halbleiters ,
c) Wahl der Art der vorzunehmenden photonischen Strukturierung, sowie
d) Ermittlung der Gitterkonstante a der photonischen Bandlücke aus den in den Schritten a) bis c) vorgegebenen Parametern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die photonische Bandlücke so gewählt wird, dass die Bedingung eG < ε2 gilt .
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) ε2 so gewählt wird, dass Z\ ^ zG < ε2 gilt . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ε2 so gewählt wird, dass εε < ει gilt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) ein Halbleiter ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus IV-Halbleitern, III-V-Halbleitern, II- VI-Halbleitern, III-VI-Halbleitern, I-III-VI- Halbleitern, IV-IV-Halbleitern und/oder Kombinationen hieraus ausgewählt wird.
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die
a) IV-Halbleiter ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Si und/oder Ge,
b) III-V-Halbleiter ausgewählt sind aus der
Gruppe bestehend aus GaP, GaAs, InP, InSb, InAs, GaSb, GaN, A1N, InN, AlxGai_xAs,
InxGai-xN, und/oder Kombinationen hieraus, c) II-VI-Halbleiter ausgewählt sind aus der
Gruppe bestehend aus ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, Hg(i-x)Cd(X)Te, BeSe, BeTe, HgS und/oder Kombinationen hieraus,
d) III-VI-Halbleiter ausgewählt sind aus der
Gruppe bestehend aus GaS, GaSe, GaTe, InS, InSe, InTe und/oder Kombinationen hieraus, e) I-III-VI-Halbleiter ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus CuInSe2, CuInGaSe2, CuInS2, CuInGaS2 und/oder Kombinationen hie¬ raus,
f) IV-IV-Halbleiter ausgewählt sind aus der
Gruppe bestehend aus SiC und/oder SiGe und/oder g) chemischen Verbindungen der zuvor genannten Halbleitermaterialien, insbesondere ternären oder quaternären Halbleitern aus den zuvor genannten Materialien.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die photonische Struktur ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Bragg-Stapeln, 2D oder 3D photonischen Kristallen, insbesondere invertierten Opalen .
Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermaterials mit einer vordefinierten energetischen elektrooptischen Bänderstruktur, bei dem die folgenden Schritte durchgeführt werden:
a) Bestimmung einer Gitterkonstante a einer ein- , zwei- oder dreidimensionalen photonischen Strukturierung eines Halbleitermaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sowie b) Fertigung der photonischen Struktur mit Gitterkonstante a im Halbleiter.
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigung der photonischen Struktur durch lithographische Prozesse, Ätzen, holographische Methoden, Selbstorganisation, nanorobotische Methoden, Ionenbohren, gerichtetes Abscheiden, direktes Laserschreiben und/oder Inversionsprozesse erfolgt.
Halbleitermaterial, mit einer elektrischen Bandlücke des Energiebetrags G l das eine vorbestimmte photonische Strukturierung mit einer photonischen Bandlücke zwischen zwei Energieniveaus ει und ε2 aufweist, mit ει < ε2.
11. Halbleitermaterial nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die photonische Bandlücke so gewählt ist, dass die Bedingung
£G < Ε2 gilt .
12. Halbleitermaterial nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ει ^ EG < ε2 gilt,
13. Halbeleitermaterial nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass G < ι gilt.
14. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es eine vollständige oder eine unvollständige Bandlücke aufweist .
15. Halbleiterbauelement, enthaltend ein Halbleiter material nach einem der Ansprüche 9 bis 14, ins besondere in Form einer Solarzelle, Diode,
Leuchtdiode, Laserdiode, Sensor oder Bauelement der Informationstechnologie.
EP11704938A 2010-02-23 2011-02-21 Verfahren zur bestimmung einer struktur eines halbleitermaterials mit vordefinierten elektrooptischen eigenschaften, verfahren zu dessen herstellung sowie halbleitermaterial Withdrawn EP2539754A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE201010008905 DE102010008905B3 (de) 2010-02-23 2010-02-23 Verfahren zur Bestimmung einer Struktur eines Halbleitermaterials mit vordefinierten elektrooptischen Eigenschaften sowie Verfahren zu dessen Herstellung
PCT/EP2011/000825 WO2011103993A1 (de) 2010-02-23 2011-02-21 Verfahren zur bestimmung einer struktur eines halbleitermaterials mit vordefinierten elektrooptischen eigenschaften, verfahren zu dessen herstellung sowie halbleitermaterial

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2539754A1 true EP2539754A1 (de) 2013-01-02

Family

ID=43828439

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP11704938A Withdrawn EP2539754A1 (de) 2010-02-23 2011-02-21 Verfahren zur bestimmung einer struktur eines halbleitermaterials mit vordefinierten elektrooptischen eigenschaften, verfahren zu dessen herstellung sowie halbleitermaterial

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2539754A1 (de)
DE (1) DE102010008905B3 (de)
WO (1) WO2011103993A1 (de)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030156319A1 (en) * 2000-01-28 2003-08-21 Sajeev John Photonic bandgap materials based on silicon
US7442964B2 (en) * 2004-08-04 2008-10-28 Philips Lumileds Lighting Company, Llc Photonic crystal light emitting device with multiple lattices
DE102004050176A1 (de) * 2004-09-20 2006-03-23 Universität Duisburg-Essen Optoelektronisches Bauelement und Verfahren zum Steuern von Tunnelelektronenströmen durch Photonen
KR100721454B1 (ko) * 2005-11-10 2007-05-23 서울옵토디바이스주식회사 광 결정 구조체를 갖는 교류용 발광소자 및 그것을제조하는 방법
WO2009005561A2 (en) * 2007-05-02 2009-01-08 Massachusetts Institute Of Technology Optical devices having controlled nonlinearity
DE102008056175A1 (de) * 2008-11-06 2010-05-12 Osram Opto Semiconductors Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Strahlung emittierenden Dünnschichtbauelements und Strahlung emittierendes Dünnschichtbauelement

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2011103993A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2011103993A1 (de) 2011-09-01
DE102010008905B3 (de) 2011-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102004009531B4 (de) Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur
DE102007063625A1 (de) Schneller Photoleiter
DE112012002855B4 (de) toelektrische Umwandlungsvorrichtung
DE102011118273A1 (de) Herstellung einer Halbleitereinrichtung mit mindestens einem säulen- oder wandförmigen Halbleiter-Element
DE102008040374A1 (de) Lasereinrichtung
EP0954033A1 (de) Halbleiterbauelement, insbesondere eine Solarzelle, mit einer Schicht aus Pyrit, sowie Verfahren zu dessen Herstellung
DE102007002819A1 (de) Unipolarer Quantenkaskaden-Laser hoher Effizienz
DE102011103143B4 (de) Interbandkaskadenlaser-Verstärkermedium
DE102008009412A1 (de) Infrarot-Halbleiterlaser
DE102010008905B3 (de) Verfahren zur Bestimmung einer Struktur eines Halbleitermaterials mit vordefinierten elektrooptischen Eigenschaften sowie Verfahren zu dessen Herstellung
DE102015217330A1 (de) Halbleitervorrichtung mit gegen interne Felder abgeschirmtem aktiven Gebiet
DE102008054217A1 (de) Optoelektronischer Halbleiterchip und Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips
DE10335443B4 (de) Quantentopfstruktur
WO2010022694A1 (de) Optoelektronischer halbleiterchip
DE112008003954T5 (de) Lichtemittierende Vorrichtungen
WO2017121529A1 (de) Elektronisches bauteil sowie verfahren zur herstellung eines elektronischen bauteils
DE10238762A1 (de) Halbleiterlaservorrichtung
DE102015102454A1 (de) Verfahren zur Strukturierung einer Nitridschicht, strukturierte Dielektrikumschicht, optoelektronisches Bauelement, Ätzverfahren zum Ätzen von Schichten und Umgebungssensor
AT512938B1 (de) Halbleiterlaser
Arens Colloidal nanocrystals in epitactical semiconductor structures; Kolloidale Nanokristalle in epitaktischen Halbleiterstrukturen
Enzmann Technology development for a single-photon source
WO2016202740A1 (de) Leuchtdiodenchip
Schmidt Electrical and optical measurements on a single InAs quantum dot using ion-implanted micro-LEDs
Gerhard AlGaInP quantum dots for optoelectronic applications in the visible spectral range
WO2016202931A1 (de) Optoelektronisches halbleiterbauteil

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20120618

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20160901