WO2011069747A1 - Optoelektronisches halbleiterbauteil und photonischer kristall - Google Patents

Optoelektronisches halbleiterbauteil und photonischer kristall Download PDF

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radiation
active layer
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Krister Bergenek
Christopher Wiesmann
Thomas F. Krauss
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University of St Andrews
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Osram Opto Semiconductors GmbH
University of St Andrews
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    • H10H20/872—Periodic patterns for optical field-shaping, e.g. photonic bandgap structures

Definitions

  • An optoelectronic semiconductor component is specified.
  • a photonic crystal is given.
  • Specified light source that emits directional radiation and that includes a two-dimensional photonic crystal.
  • An object to be solved is to provide an optoelectronic semiconductor device that with high efficiency
  • this includes a
  • the at least one active layer is to
  • the photonic crystal is for
  • the photonic crystal is a material with a periodic variation of the optical
  • Refractive index is carried out on a scale of
  • the refractive index variation is made to lengths ranging between one fourth and four times the
  • the photonic crystal is spaced from the active layer.
  • the active layer is not directly adjacent to the photonic one
  • the active layer is also not part of the
  • the photonic crystal is by an overlay of at least two gratings with one another different normalized to the peak wavelength
  • the photonic crystal has at least two gratings with different lattice constants that are interconnected
  • G * 2 ⁇ / A.
  • G (2 ⁇ ) / (3 0.5 A).
  • this includes at least one
  • the Layer to be generated or received radiation from or into the semiconductor layer sequence.
  • the radiation has a peak wavelength.
  • the photonic crystal is spaced from the active layer and through a
  • the high refractive index it can lead to a mode of the
  • Radiation can be a photonic crystal at the
  • Lattice constants are in particular G ] _ the largest and G2 the smallest of the lattice constants.
  • one of the normalized, reciprocal Lattice constants between 1.7 and 2.6, in particular between 1.7 and 1.9 or
  • Semiconductor layer sequence is formed.
  • the photonic crystal is then in a layer of
  • Semiconductor layer sequence structured, in particular in an outermost layer of the semiconductor layer sequence. Is the photonic crystal by a superposition of at least three lattices with different from each other
  • Semiconductor layer sequence of the photonic crystal itself is not to be included, in the case that the photonic crystal is a part of the semiconductor layer sequence.
  • the at least two gratings which form the photonic crystal are through holes in a layer, in particular in a layer of the semiconductor layer sequence, shaped.
  • Holes in the other grid are omitted.
  • the holes have a circular or elliptical plan.
  • the holes may have a square or rectangular plan, in particular with rounded corners.
  • the photonic crystal can then be replaced by a single superlattice with a single superlattice constant
  • the holes of the two gratings each have the same depths in the context of the manufacturing tolerances.
  • the individual depths of the holes of the two lattices deviate by at most 25% or at most 10 ⁇ 6 from a mean depth, averaged over the holes of both
  • the photonic crystal is formed by a superposition of the at least two gratings.
  • Superposition means in particular that the photonic crystal can not be described by a single superlattice is, in which at all grid points of the superlattice holes with different radii greater than zero are formed.
  • an overall depth of the recesses preferably results from a sum of depths which the individual gratings would have, if they were not superpositioned.
  • a photonic crystal formed from a superposition of two gratings with holes of different radii and having a superlattice in which all lattice sites are occupied with holes is not transparent
  • Superposition of two lattice formed photonic crystal is, in the present context. Likewise, it is possible that superposition means that the superposition of the gratings can be done independently of each other, so that the exact positioning of the one grating
  • Alignment of the other grid can be.
  • the tolerance is preferably at most 10%, in particular at most 5%.
  • the analysis can in particular include which spectral components are emitted into which solid angles.
  • the at least one active layer is for producing an ultraviolet, visible and / or
  • the solid angle range is therefore for
  • the coupling out of the radiation from the semiconductor layer sequence takes place through the photonic
  • the semiconductor component emits a radiation component that is at least 10 percentage points or at least 20 percentage points higher in one
  • Opening angle of 50 ° or 30 ° is formed as a so-called Lambert 'em radiator.
  • Semiconductor component is thus in particular directed as in a Lambert 'see emitter.
  • the radii of the optionally present holes of the grating of the photonic crystal are additionally or alternatively also adapted.
  • the photonic crystal (4) is based on or consists of one or more of the following materials: Al n Ga m I n n _ m N, Al n Ga m I n n _ m P, As n Ga m I m _ n ni P, ZnO, ZnMgO, CdS, ZnCdS, MgBeO, ZnSe, ZnS, ITO, indium tin oxide or short.
  • the photonic crystal is a
  • trench-shaped recesses preferably along each a straight line, formed. neighboring
  • Recesses preferably do not touch.
  • a surface of the photonic crystal, seen in a cross section may be similar to one
  • Rectangular voltage signal or be formed with rectangular saw teeth.
  • every second rectangular sawtooth has an equal width and adjacent sawteeth have different widths from each other.
  • the photonic crystal may be a photonic crystal as used in conjunction with one or more of the embodiments of the optoelectronic crystal
  • Optoelectronic semiconductor device are therefore also disclosed for the photonic crystal described here and vice versa.
  • the photonic crystal adapted for ultraviolet, visible and / or near-infrared radiation.
  • the photonic crystal is free from one to radiation generation or one
  • FIGS. 1 and 2 are schematic sectional views of FIG.
  • Figure 3 is a schematic representation of examples of
  • FIGS 4, 5, 7 and 10 are schematic plan views
  • FIGS. 6 and 8 are schematic representations of
  • Figure 9 is a schematic representation of a method for
  • Figure 11 is a schematic representation of an example of a
  • Mode distribution of a semiconductor device shows an embodiment of an optoelectronic semiconductor device 1 described here is shown schematically in a sectional view.
  • Semiconductor layer sequence 2 has an active layer 3, identified in the figures as a dashed line. Furthermore, the semiconductor layer sequence 2 comprises a photonic crystal 4 which is characterized by a periodic variation of a
  • Refractive index in the form of recesses in an outermost layer of the semiconductor layer sequence 2 is designed.
  • the recesses do not extend to the at least one active layer 3.
  • Crystal 4 divided by a dot line of the other parts of the semiconductor layer sequence 2 purely graphically.
  • the photonic crystal 4 is physically part of
  • Semiconductor layer sequence 2 and is monolithically shaped with this.
  • Metal mirror for example, with or silver, act. It is also possible that the mirror 6 is a combination of a transparent material with a low
  • a distance D between the active layer 3 and the mirror 6 is, for example, at least 100 nm and at most 6 ym.
  • the distance D is between inclusive 100 nm and 2 ym or between 100 nm and 150 nm inclusive.
  • the distance D is preferably an integer
  • ⁇ * is a vertex wavelength ⁇ in vacuum divided by a mean refractive index n of the region of
  • the distance D is preferably a distance between the mirror 6 and a center of the at least one active layer, in particular in a direction perpendicular to the mirror 6.
  • the relationship preferably applies to the distance D: 0, 5 ⁇ / ⁇ ⁇ D ⁇ / ⁇ .
  • a distance T between the photonic crystal 4 and the active layer 3 is, for example, at least 150 nm and at most 8 ⁇ m, in particular at least 500 nm and at most 6 ⁇ m.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of the invention
  • the photonic crystal 4 is at least partially covered by a transparent, electrically conductive layer 7 on a main side 25 of the semiconductor layer sequence 2 facing away from the active layer 3.
  • the layer 7 may partially or completely fill recesses of the photonic crystal 4, which are produced in the semiconductor layer sequence 2, as shown in FIG.
  • the electrically conductive layer 7 comprises or consists of a transparent conductive oxide, in particular of indium tin oxide, ITO for short.
  • An average thickness of the electrically conductive layer 7 is, for example, between 80 nm and 400 nm, in particular 120 nm.
  • the distance T between the active layer 3 and the photonic crystal 4 is reducible, resulting in an overall thinner
  • Semiconductor layer sequence 2 can be achieved.
  • FIGS. 3A and 3B schematically show spectra of a radiation generated by the semiconductor components 1 in accordance with FIGS. 1 and 2, for example.
  • the peak wavelengths ⁇ are in each case those wavelengths ⁇ at which a maximum intensity I is present.
  • Figure 3A is the
  • FIG. 4 shows various plan views of examples of the photonic crystals 4.
  • the illustrated photonic crystals 4 can in particular in a
  • the photonic crystal 4 according to FIG. 4A is a
  • one-dimensional photonic crystal that is, one
  • the photonic crystal 4 is formed by a superposition of a first grid 41 and a second grid 42.
  • a real lattice constant A2 of the second lattice 42 is half of a real one
  • the superlattice has a
  • the lattice constants of the two superimposed lattices forming the photonic crystal 4 differ by a factor of 2.
  • the photonic crystal 4 has a
  • the photonic crystal likewise has a hexagonal basic structure.
  • the lattice constants of the lattice forming the photonic crystal 4 differ by a factor of root from 3 ⁇ 1.73.
  • FIG. 5C further shows an electron micrograph of the photonic crystal 4.
  • the semiconductor device 1 has a gallium arsenide based
  • FIG. 5B shows a ratio of radiation intensities II and 12 of the radiation intensities coupled out from the gratings forming the photonic crystal 4 as a function of the radius r 1 of the holes 51 of the first grating.
  • the radius r2 of the smaller holes is in this case 0.21 times the lattice constant A, compare FIG. 5A.
  • the proportion of the radii rl increases
  • the ratio II to 12 is thus adjustable by a suitable choice of the radii rl, r2 of the holes 51, 52 of the grid.
  • FIG. 6 far fields of an emitted radiation are plotted as a function of an emission angle ⁇ and as a function of the wavelength ⁇ .
  • this is Far field of a component shown in which the photonic crystal is formed only by a hexagonal lattice, for example, only through the grid with the smaller holes 52 as shown in FIG 5A.
  • the far field for the semiconductor device 1 with the photonic crystal 4 according to FIG. 5C is shown in FIG. 6B.
  • Bright areas in FIG. 6 are areas into which radiation is emitted from the component or the semiconductor device 1.
  • FIG. 7A schematically illustrates a photonic crystal 4, which is formed by a superposition of the gratings 41, 42. For example, a total depth of
  • FIG. 7C further shows a two-dimensional Fourier transformation of an upper side of the photonic crystal 4 according to FIG. 7B.
  • the Fourier amplitudes for a strongest band of the grating 41 and for a strongest band of the grating 42 are the same, with a tolerance of at most 25% or at most 10%.
  • the strongest bands of the grids 41, 42 in the representation according to FIG. 7C are approximately equally intense. It can be read from the Fourier transformation that the intensities of the emitted radiation which go back to the two superposed gratings are comparably large.
  • FIG. 8A the far-field optical field is indicated for a component in which a modification of a photonic
  • FIG. 8B shows the far field for the photonic crystal 4 according to FIG. 7B.
  • the underlying semiconductor device 1 is based on
  • the semiconductor layer sequence has a total thickness (D + T) of approximately 5 ⁇ m to 6 ⁇ m.
  • Peak wavelength ⁇ ⁇ is approximately 450 nm.
  • the one normalized reciprocal lattice constant of the hexagonal lattice is 2.3.
  • the normalized, reciprocal lattice constants of the two are
  • an intensity of the radiation emitted by the semiconductor component 1 is increased by several percent according to FIG. 6B or FIG. 8B.
  • the emission of the radiation takes place in each case concentrated in a comparatively small solid angle range.
  • Optoelectronic semiconductor device 1 illustrated By way of example, a semiconductor component 1 according to FIG. 7B can be produced using the method.
  • the grating 42 is transferred by means of a lithographic process by means of an exposure to a photoresist 9, which is applied to the semiconductor layer sequence 2 with the active layer 3.
  • Electron radiation take place. This results exposed or electron-irradiated areas 90 of the photoresist. 9
  • the further grid 41 is likewise transferred to the photoresist 9, so that a more complex pattern of the exposed or irradiated areas 90 is produced.
  • the dose of exposure or irradiation is preferably chosen so that the photoresist 9 through the
  • FIG. 9C shows the geometry of the photoresist 9, after which the exposed or irradiated regions 90
  • a photonic crystal 4 formed by superposition of two gratings can also be produced, for example, by a so-called nanoimprint process.
  • a correspondingly shaped stamp is pressed onto the photoresist 9, followed by etching, so that the structure of the stamp with the aid of the photoresist on the
  • Semiconductor layer sequence 2 is transferable.
  • FIG. 10 shows a plan view of the photonic crystal 4 according to FIG. 7B.
  • the photonic crystal 4 is in this case with a transparent, electrically conductive
  • Lattice constants in particular in the case of a photonic crystal 4, which is formed by a superposition of two grids, adaptable. Has the mode distribution multiple

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Abstract

In mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils (1) beinhaltet dieses wenigstens eine Halbleiterschichtenfolge (2) mit mindestens einer aktiven Schicht (3) sowie zumindest einen photonischen Kristall (4) zur Einkopplung oder zur Auskopplung einer von der mindestens einen aktiven Schicht (3) zu erzeugenden oder zu empfangenden Strahlung aus der oder in die Halbleiterschichtenfolge (2). Die Strahlung weist eine Scheitelwellenlänge (lambda 0) auf. Der photonische Kristall (4) ist von der aktiven Schicht (3) beabstandet und durch eine Überlagerung von mindestens zwei Gittern (41, 42) mit voneinander verschiedenen, auf die Scheitelwellenlänge (lambda 0) normierten, reziproken Gitterkonstanten gebildet.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Halbleiterbauteil und photonischer
Kristall
Es wird ein optoelektronisches Halbleiterbauteil angegeben. Darüber hinaus wird ein photonischer Kristall angegeben.
In der Druckschrift Applied Physics Letters, Ausgabe 79, Nummer 26, Seiten 4280 bis 4282, Dezember 2001, ist eine
Lichtquelle angegeben, die gerichtete Strahlung emittiert und die einen zweidimensionalen photonischen Kristall beinhaltet.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein optoelektronisches Halbleiterbauteil anzugeben, das mit hoher Effizienz
Strahlung in einen bestimmten Raumwinkelbereich emittiert. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, einen
photonischen Kristall zu einer Strahlungseinkopplung oder zu einer Strahlungsauskopplung anzugeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils beinhaltet dieses eine
Halbleiterschichtenfolge mit wenigstens einer aktiven
Schicht. Die mindestens eine aktive Schicht ist dazu
eingerichtet, im Betrieb des Halbleiterbauteils eine
elektromagnetische Strahlung zu erzeugen oder zu detektieren. Die aktive Schicht kann eine Einfach-Quantentopfstruktur oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur beliebiger Dimensionalität umfassen .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils weist die in der aktiven Schicht erzeugte oder die von der aktiven Schicht zu detektierende Strahlung eine Scheitelwellenlänge, englisch peak wavelength, auf. Die Scheitelwellenlänge ist diejenige Wellenlänge, bei der im Spektrum der zu erzeugenden oder zu emittierenden Strahlung eine maximale Intensität vorliegt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils beinhaltet dieses zumindest einen
photonischen Kristall. Der photonische Kristall ist zur
Einkopplung oder zur Auskopplung einer von der aktiven
Schicht erzeugten oder einer von der aktiven Schicht zu detektierenden Strahlung eingerichtet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist der photonische Kristall ein Material mit einer periodischen Variation des optischen
Brechungsindexes. Eine Periodizität der Änderung des
Brechungsindexes erfolgt dabei auf einer Skala der
Größenordnung der Vakuumwellenlänge der Strahlung, für die der photonische Kristall vorgesehen ist. Zum Beispiel erfolgt die Variation des Brechungsindexes auf Längen, die zwischen einschließlich einem Viertel und einem Vierfachen der
Scheitelwellenlänge liegen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist der photonische Kristall von der aktiven Schicht beabstandet. Mit anderen Worten grenzt die aktive Schicht nicht unmittelbar an den photonischen
Kristall. Die aktive Schicht ist auch kein Teil des
photonischen Kristalls.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist der photonische Kristall durch eine Überlagerung von mindestens zwei Gittern mit voneinander verschiedenen, auf die Scheitelwellenlänge normierten
reziproken Gitterkonstanten gebildet. Mit anderen Worten weist der photonische Kristall wenigstens zwei Gitter mit verschiedenen Gitterkonstanten auf, die miteinander
kombiniert sind. Eine eindimensionale oder eine
zweidimensionale Fourier-Analyse des photonischen Kristalls liefert also mindestens zwei voneinander verschiedene
Gitterkonstanten. Dass die reziproken Gitterkonstanten auf die
Scheitelwellenlänge normiert sind, kann folgendes bedeuten: Eine reziproke Gitterkonstante G* ergibt sich aus einer zugrunde liegenden realen Gitterkonstanten A in einem
eindimensionalen Fall aus dem Zusammenhang G* = 2π / A. Ein Wellenvektor kg bei der Scheitelwellenlänge λθ ergibt sich zu kg = 2π / λθ, wobei λθ die Scheitelwellenlänge im Vakuum ist. Die normierte reziproke Gitterkonstante G ergibt sich dann zu G = G* / kg = λθ / A. Für zum Beispiel ein zweidimensionales, hexagonales Gitter ergibt sich G = (2 λθ)/ (30,5 A) .
In mindestens einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils beinhaltet dieses wenigstens eine
Halbleiterschichtenfolge mit mindestens einer aktiven Schicht sowie zumindest einen photonischen Kristall zur Einkopplung oder zur Auskopplung einer von der mindestens einen aktiven
Schicht zu erzeugenden oder zu empfangenden Strahlung aus der oder in die Halbleiterschichtenfolge. Die Strahlung weist eine Scheitelwellenlänge auf. Der photonische Kristall ist von der aktiven Schicht beabstandet und durch eine
Überlagerung von mindestens zwei Gittern mit voneinander verschiedenen, auf die Scheitelwellenlänge normierten, reziproken Gitterkonstanten gebildet. Halbleiterschichtenfolgen, insbesondere zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Spektralbereich, weisen einen
vergleichsweise hohen Brechungsindex von beispielsweise mehr als 2 oder von mehr als 3,5 auf. Insbesondere durch den hohen Brechungsindex kann es zu einer Führung von Moden der
Strahlung in der Halbleiterschichtenfolge mit der aktiven Schicht kommen. Hierdurch kann eine Auskopplung dieser Moden aus der Halbleiterschichtenfolge erschwert sein.
Eine Möglichkeit, derartige Moden aus einer
Halbleiterschichtenfolge auszukoppeln, besteht darin, eine Hauptfläche der Halbleiterschichtenfolge aufzurauen. Hieraus resultiert im Allgemeinen eine Halbleiterschichtenfolge, die an der Hauptfläche ein Lambertscher Strahler ist oder die eine einem Lambertschen Strahler ähnliche
Abstrahlcharakteristik aufzeigt. Für Anwendungen, bei denen der Halbleiterschichtenfolge zum Beispiel optische Systeme zu einer Fokussierung nachgeschaltet sind, kann eine
gerichtetere Abstrahlung als bei einem Lambertschen Strahler erwünscht sein.
Zu einer effizienten Lichtauskopplung und gerichteten
Abstrahlung kann ein photonischer Kristall an der
Halbleiterschichtenfolge geformt sein. Über einen
photonischen Kristall ist im Regelfall nur ein solcher
Strahlungsanteil auskoppelbar, der eine Bragg-Bedingung erfüllt. Die Bragg-Bedingung stellt insbesondere einen
Zusammenhang zwischen der Wellenlänge des Strahlungsanteils und der Gitterkonstanten des photonischen Kristalls her. Eine effiziente Auskopplung einer Strahlung erfolgt im Regelfall nur für solche Moden der Strahlung, für die die Bragg- Bedingung für die Gitterkonstante des photonischen Kristalls erfüllt ist.
Durch einen photonischen Kristall, der durch eine
Überlagerung von Gittern mit wenigstens zwei voneinander verschiedenen Gitterkonstanten gebildet ist, kann die Bragg- Bedingung für mehr Moden der Strahlung erfüllt werden, verglichen mit dem Fall, dass der photonische Kristall nur mit einem Gitter mit einer einzigen Gitterkonstanten gebildet ist. Durch einen solchen photonischen Kristall ist also insbesondere eine Auskoppeleffizienz von gerichtet
emittierter Strahlung aus der Halbleiterschichtenfolge steigerbar . Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils liegt ein Betrag aus einer Differenz von wenigstens zwei oder von allen der normierten, reziproken Gitterkonstanten zwischen einschließlich 0,5 und 2,5. Anders ausgedrückt gilt: 0,5 -S | G]_—G2 I - 2,5, wobei G]_ und G2 die zwei oder zwei der normierten, reziproken Gitterkonstanten des Gitters sind. Insbesondere liegt der Betrag zwischen einschließlich 0,8 und 1,3. Im Falle von mehr als zwei
Gitterkonstanten ist insbesondere G]_ die größte und G2 die kleinste der Gitterkonstanten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils weist eine der normierten, reziproken Gitterkonstanten einen Wert zwischen einschließlich 1,0 und 1,35 auf, bevorzugt zwischen einschließlich 1,05 und 1,25, insbesondere zwischen einschließlich 1,10 und 1,20.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils beträgt eine der normierten, reziproken Gitterkonstanten zwischen einschließlich 1,7 und 2,6, insbesondere zwischen einschließlich 1,7 und 1,9 oder
zwischen einschließlich 2,0 und 2,4. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist der photonische Kristall ein Teil der Halbleiterschichtenfolge. In diesem Fall ist der photonische Kristall bevorzugt aus dem gleichen Material geformt oder basiert auf dem gleichen Material, aus dem die
Halbleiterschichtenfolge gebildet ist. Beispielsweise ist der photonische Kristall dann in eine Schicht der
Halbleiterschichtenfolge strukturiert, insbesondere in eine äußerste Schicht der Halbleiterschichtenfolge. Ist der photonische Kristall durch eine Überlagerung von mindestens drei Gittern mit voneinander verschiedenen
Gitterkonstanten gebildet, so können sich die angegebenen Faktoren auf alle oder nur auf einen Teil der
Gitterkonstanten beziehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils gilt für eine, für zwei und/oder für alle der normierten reziproken Gitterkonstanten G der
Zusammenhang: 0,7 < G < n, wobei n ein maximaler
Brechungsindex der Halbleiterschichtenfolge ist, wobei zur Ermittlung des mittleren Brechungsindexes der
Halbleiterschichtenfolge der photonische Kristall selbst nicht einzubeziehen ist, in dem Fall, dass der photonische Kristall ein Teil der Halbleiterschichtenfolge ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils sind die mindestens zwei Gitter, die den photonischen Kristall bilden, durch Löcher in einer Schicht, insbesondere in einer Schicht der Halbleiterschichtenfolge, geformt. Die Löcher der mindestens zwei Gitter weisen
voneinander verschiedene mittlere Radien insbesondere größer als Null auf. Die Löcher von einem der Gitter können hierbei gleich Null sein, so dass stellenweise mit anderen Worten
Löcher in dem anderen Gitter weggelassen sind. Beispielsweise weisen die Löcher einen kreisförmigen oder ellipsenförmigen Grundriss auf. Ebenso können die Löcher einen quadratischen oder rechteckigen Grundriss, insbesondere mit abgerundeten Ecken, aufweisen.
Es kann der photonische Kristall hiernach durch ein einziges Übergitter mit einer einzigen Übergitterkonstante
beschreibbar sein, wobei Gitterpunkte dieses Übergitters durch Löcher mit unterschiedlichen Radien belegt sind. Die Verteilung der Radien der Löcher erfolgt nach den
Gitterkonstanten der zwei Gitter, deren Überlagerung den photonischen Kristall bildet, und ergibt sich nicht aus dem Übergitter .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils weisen die Löcher der beiden Gitter im Rahmen der Herstellungstoleranzen jeweils gleiche Tiefen auf. Insbesondere weichen die einzelnen Tiefen der Löcher der beiden Gitter um höchstens 25 % oder um höchstens 10 ~6 von einer mittleren Tiefe, gemittelt über die Löcher beider
Gitter, ab.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist der photonische Kristall durch eine Superposition der mindestens zwei Gitter gebildet.
Superposition bedeutet insbesondere, dass der photonische Kristall nicht durch ein einziges Übergitter beschreibbar ist, bei dem an allen Gitterpunkten des Übergitters Löcher mit unterschiedlichen Radien größer Null geformt sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils bedeutet Superposition, zusätzlich oder alternativ zu der im vorangehenden Absatz beschriebenen
Ausführungsform, dass der photonische Kristall Ausnehmungen mit vorgegebenen, unterschiedlichen Tiefen aufweist. Eine Gesamttiefe der Ausnehmungen ergibt sich bevorzugt aus einer Summe von Tiefen, die die einzelnen Gitter aufweisen würden, falls diese nicht superpositioniert wären.
Beispielsweise ist ein photonischer Kristall, der aus einer Überlagerung von zwei Gittern mit Löchern unterschiedlicher Radien geformt ist und ein Übergitter aufweist, bei dem alle Gitterplätze mit Löchern belegt sind, kein durch
Superposition zweier Gitter gebildeter photonischer Kristall ist, im vorliegenden Kontext. Ebenso ist es möglich, dass Superposition bedeutet, dass die Überlagerung der Gitter unabhängig voneinander erfolgen kann, so dass die genaue Positionierung des einen Gitters
unabhängig von der genauen Positionierung und/oder
Ausrichtung des anderen Gitters sein kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils tragen mindestens zwei der Gitter,
insbesondere alle Gitter des photonischen Kristalls mit einer Toleranz von höchstens 25 % gleich stark zu einer Auskopplung oder zur einer Einkopplung der Strahlung aus der oder in die Halbleiterschichtenfolge bei. Bevorzugt beträgt die Toleranz höchstens 10 %, insbesondere höchstens 5 %. Eine Bestimmung des Strahlungsanteils, dessen Einkopplung oder Auskopplung auf eines der Gitter des photonischen Kristalls zurückgeht, kann durch eine Analyse der von dem Halbleiterbauteil
beispielsweise emittierten Strahlungen in mehreren Bildebenen mit verschiedenen Abständen zu dem Halbleiterbauteil
erfolgen. In die Analyse kann insbesondere einfließen, welche spektralen Anteile in welche Raumwinkel emittiert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist die mindestens eine aktive Schicht zur Erzeugung einer ultravioletten, sichtbaren und/oder
nahinfraroten Strahlung ausgebildet, wobei mindestens 40 % einer Intensität des von dem Halbleiterbauteil emittierten Lichts innerhalb eines Winkelbereichs, insbesondere eines Kegels, mit einem Öffnungswinkel von höchstens 50°,
insbesondere von höchstens 30°, aus dem photonischen Kristall emittiert wird. Der Raumwinkelbereich beträgt also zum
Beispiel höchstens 0,2π sr oder höchstens Ο,ΐπ sr. Mit anderen Worten erfolgt die Auskopplung der Strahlung aus der Halbleiterschichtenfolge heraus durch den photonischen
Kristall gerichtet in einen kleinen Raumwinkelbereich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils emittiert das Halbleiterbauteil einen um mindestens 10 Prozentpunkte oder einem um mindestens 20 Prozentpunkte höheren Strahlungsanteil in einen
Raumwinkelbereich, der durch einen Kegel mit einem
Öffnungswinkel von 50° oder von 30° gebildet wird, als ein so genannter Lambert ' scher Strahler. Die Abstrahlung des
Halbleiterbauteils erfolgt also insbesondere gerichteter als bei einem Lambert ' sehen Strahler.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist eine der aktiven Schicht abgewandte Seite des photonischen Kristalls mit einer
strahlungsdurchlässigen, dielektrisch oder, bevorzugt, elektrisch leitfähigen Schicht bedeckt. Eine solche Schicht kann zu einer Stromaufweitung oder Stromverteilung dienen. Ausnehmungen des photonischen Kristalls, durch die eine
Variation des Brechungsindexes realisiert ist, können
vollständig oder teilweise mit einem Material der
strahlungsdurchlässigen Schicht gefüllt sein. Die
Gitterkonstanten des photonischen Kristalls sind dann
bevorzugt an den durch die strahlungsdurchlässige Schicht veränderten Brechungsindex der Ausnehmungen anzupassen.
Bevorzugt sind die Radien von den gegebenenfalls vorhanden Löchern der Gitter des photonischen Kristalls zusätzlich oder alternativ ebenso angepasst.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils basiert der photonische Kristall (4) auf einem oder auf mehreren der folgenden Materialien oder besteht hieraus: AlnGamI ni_n_mN, AlnGamI ni_n_mP, AsnGamI ni-n_mP, ZnO, ZnMgO, CdS, ZnCdS, MgBeO, ZnSe, ZnS, Indiumzinnoxid oder kurz ITO. Hierbei gilt 0 ^ n < 1, 0 ^ m < 1 und n+m < 1, insbesondere 0 < n < 1, 0 < m < l und n+m < 1. Die genannten Materialen können zusätzlich Dotierstoffe wie zum Beispiel Si oder B enthalten.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist der photonische Kristall ein
eindimensionaler Kristall. Mit anderen Worten erfolgt dann eine Modulierung des Brechungsindexes des photonischen
Kristalls nur entlang genau einer Raumrichtung. Zum Beispiel sind dann Strukturelemente des photonischen Kristalls
grabenförmige Ausnehmungen, die bevorzugt jeweils entlang einer geraden Linie verlaufen, gebildet. Benachbarte
Ausnehmungen berühren sich bevorzugt nicht.
Mit anderen Worten kann eine Oberfläche des photonischen Kristalls, in einem Querschnitt gesehen, ähnlich einem
Rechteckspannungssignal oder mit Rechteck-Sägezähnen geformt sein. Hierbei weist insbesondere jeder zweite Reckteck- Sägezahn eine gleiche Breite auf und benachbarte Sägezähne weisen voneinander verschiedene Breiten auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des optoelektronischen Halbleiterbauteils ist dieses eine Leuchtdiode.
Darüber hinaus wird ein photonischer Kristall angegeben. Bei dem photonischen Kristall kann es sich um einen photonischen Kristall handeln, wie er in Verbindung mit einer oder mehrerer der Ausführungsformen des optoelektronischen
Halbleiterbauteils beschrieben ist. Merkmale des
optoelektronischen Halbleiterbauteils sind daher auch für den hier beschriebenen photonischen Kristall offenbart und umgekehrt .
In mindestens einer Ausführungsform ist der photonische
Kristall für ultraviolette, sichtbare und/oder nahinfrarote Strahlung eingerichtet. Der photonische Kristall ist frei von einer zu einer Strahlungserzeugung oder zu einer
Strahlungsabsorption eingerichteten aktiven Schicht. Außerdem ist der photonische Kristall durch eine Überlagerung von mindestens zwei Gittern mit voneinander verschiedenen
reziproken Gitterkonstanten gebildet.
Nachfolgend wird ein hier beschriebenes optoelektronisches Halbleiterbauteil sowie ein hier beschriebener photonischer Kristall unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen: Figuren 1 und 2 schematische Schnittdarstellungen von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteilen,
Figur 3 eine schematische Darstellung von Beispielen von
Spektren einer von hier beschriebenen
Halbleiterbauteilen emittierten Strahlung,
Figuren 4, 5, 7 und 10 schematische Draufsichten auf
Ausbildungsbeispiele von hier beschriebenen
photonischen Kristallen,
Figuren 6 und 8 schematische Darstellungen von
Auskoppeleffizienzen in Abhängigkeit von einem Abstrahlwinkel und von einer Wellenlänge von
Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen
Halbleiterbauteilen,
Figur 9 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur
Herstellung eines hier beschriebenen
Halbleiterbauteils, und
Figur 11 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer
Modenverteilung eines Halbleiterbauteils. In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen optoelektronischen Halbleiterbauteils 1 in einer Schnittdarstellung schematisch dargestellt. Eine
Halbleiterschichtenfolge 2 weist eine aktive Schicht 3 auf, in den Figuren als Strich-Linie gekennzeichnet. Ferner umfasst die Halbleiterschichtenfolge 2 einen photonischen Kristall 4, der durch eine periodische Variation eines
Brechungsindexes in Form von Ausnehmungen in einer äußersten Schicht der Halbleiterschichtenfolge 2 gestaltet ist. Die Ausnehmungen reichen nicht bis zu der mindestens einen aktiven Schicht 3. In den Figuren ist der photonische
Kristall 4 durch eine Punkt-Linie von den weiteren Teilen der Halbleiterschichtenfolge 2 rein zeichnerisch abgeteilt. Der photonische Kristall 4 ist physisch Teil der
Halbleiterschichtenfolge 2 und ist mit dieser monolithisch geformt .
An einer dem photonischen Kristall 4 abgewandten Hauptseite 20 der Halbleiterschichtenfolge 2 ist bevorzugt ein Spiegel 6 angebracht. Bei dem Spiegel 6 kann es sich um einen
Metallspiegel, beispielsweise mit oder aus Silber, handeln. Ebenso ist es möglich, dass der Spiegel 6 eine Kombination aus einem transparenten Material mit einem niedrigen
Brechungsindex und einer reflektierenden Metallschicht ist. Über den Spiegel 6 ist die Halbleiterschichtenfolge 2 an einem Träger 8 angebracht. Zur Vereinfachung der graphischen Darstellung sind elektrische Kontakte der
Halbleiterschichtenfolge 2 in den Figuren nicht dargestellt.
Ein Abstand D zwischen der aktiven Schicht 3 und dem Spiegel 6 beträgt zum Beispiel mindestens 100 nm und höchstens 6 ym. Bevorzugt beträgt der Abstand D zwischen einschließlich 100 nm und 2 ym oder zwischen einschließlich 100 nm und 150 nm. Der Abstand D ist bevorzugt ein ganzzahliges
Vielfaches einer Scheitelwellenlänge λθ*, addiert mit einem Viertel der Scheitelwellenlänge λθ*. Beispielsweise beträgt der Abstand D 0,75 λθ* oder 1,25 λθ* oder 1,75 λθ . λθ* ist hierbei eine Scheitelwellenlänge λθ im Vakuum geteilt durch einen mittleren Brechungsindex n des Bereichs der
Halbleiterschichtenfolge 2, der zwischen der Hauptseite 20 und der aktiven Schicht 3 liegt. Der Abstand D ist bevorzugt eine Distanz zwischen dem Spiegel 6 und einer Mitte der mindestens einen aktiven Schicht, insbesondere in einer Richtung senkrecht zu dem Spiegel 6. Insbesondere bei einer auf GaN oder InGaN basierenden Halbleiterschichtenfolge gilt für den Abstand D bevorzugt der Zusammenhang: 0,5 λθ/η < D < λθ/η. Ein Abstand T zwischen dem photonischen Kristall 4 und der aktiven Schicht 3 beträgt zum Beispiel mindestens 150 nm und höchstens 8 ym, insbesondere mindestens 500 nm und höchstens 6 ym. In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Halbleiterbauteils 1 dargestellt. Der photonische Kristall 4 ist an einer der aktiven Schicht 3 abgewandten Hauptseite 25 der Halbleiterschichtenfolge 2 von einer klarsichtigen, elektrisch leitfähigen Schicht 7 mindestens teilweise bedeckt. Die Schicht 7 kann Ausnehmungen des photonischen Kristalls 4, die in der Halbleiterschichtenfolge 2 erzeugt sind, teilweise oder, wie in Figur 2 gezeigt, vollständig ausfüllen. Beispielsweise umfasst oder besteht die elektrisch leitfähige Schicht 7 aus einem transparenten leitfähigen Oxid, insbesondere aus Indiumzinnoxid, kurz ITO. Eine mittlere Dicke der elektrisch leitfähigen Schicht 7 beträgt beispielsweise zwischen einschließlich 80 nm und 400 nm, insbesondere um 120 nm. Durch die elektrisch leitfähige Schicht 7 kann eine
Stromverteilung in lateraler Richtung erfolgen oder
verbessert sein. Hierdurch ist insbesondere der Abstand T zwischen der aktiven Schicht 3 und dem photonischen Kristall 4 reduzierbar, wodurch eine insgesamt dünnere
Halbleiterschichtenfolge 2 erzielt werden kann.
In den Figuren 3A und 3B sind schematisch Spektren einer von den Halbleiterbauteilen 1 etwa gemäß den Figuren 1 und 2 erzeugten Strahlung dargestellt. Die Scheitelwellenlängen λθ sind jeweils diejenigen Wellenlängen λ, bei denen eine maximale Intensität I vorliegt. In Figur 3A liegt die
Scheitelwellenlänge λθ bei etwa 460 nm, in Figur 3B bei etwa 850 nm.
In Figur 4 sind verschiedene Draufsichten auf Beispiele der photonischen Kristalle 4 dargestellt. Die illustrierten photonischen Kristalle 4 können insbesondere bei einem
Halbleiterbauteil 1 gemäß den Figuren 1 und 2 vorliegen.
Der photonische Kristall 4 gemäß Figur 4A ist ein
eindimensionaler photonischer Kristall, das heißt, eine
Variation des Brechungsindexes erfolgt nur entlang genau einer lateralen Richtung. Der photonische Kristall 4 ist durch eine Überlagerung eines ersten Gitters 41 und eines zweiten Gitters 42 gebildet. Eine reale Gitterkonstante A2 des zweiten Gitters 42 beträgt die Hälfte einer realen
Gitterkonstante AI des ersten Gitters 41. Beide Gitter 41, 42 sind durch streifenförmige oder rillenartige Ausnehmungen, bevorzugt in der Halbleiterschichtenfolge 2, gebildet. Die Ausnehmungen verlaufen entlang gerader Linien. Breiten der Ausnehmungen der Gitter 41, 42 unterscheiden sich voneinander. Im Querschnitt gesehen weist eine Oberfläche des photonischen Kristalls 4 dann einen Rechteck-Sägezahnverlauf auf . Gemäß Figur 4B ist der photonische Kristall 4 durch eine Überlagerung von zwei Gittern mit Löchern 51, 52 mit
unterschiedlichen Radien gebildet. Alle Gitterpunkte eines Übergitters sind mit den Löchern 51, 52 der beiden Gitter, die den photonischen Kristall 4 bilden, besetzt, entsprechend der Gitterkonstanten der beiden Gitter. Eine Verteilung der Radien der Löcher 51, 52 ergibt sich also nicht alleine aus dem Übergitter und somit auch nicht eine Gesamtstruktur des photonischen Kristalls 4. Das Übergitter weist eine
quadratische Grundstruktur auf. Die Gitterkonstanten der beiden den photonischen Kristall 4 bildenden, überlagerten Gitter unterscheiden sich um einen Faktor 2.
Gemäß Figur 4C weist der photonische Kristall 4 eine
hexagonale Grundstruktur auf. Die beiden den photonischen Kristall 4 bildenden Gitter sind durch die Löcher 51, 52 mit unterschiedlichen Radien gebildet. Die Gitterkonstanten der beiden Gitter unterscheiden sich um einen Faktor 2.
Gemäß Figur 4D weist der photonische Kristall ebenfalls eine hexagonale Grundstruktur auf. Die Gitterkonstanten der den photonischen Kristall 4 bildenden Gitter unterscheiden sich um einen Faktor Wurzel aus 3 ~ 1,73.
Anders als in Figur 4 dargestellt können die den photonischen Kristall 4 bildenden Gitter auch Gitterkonstanten aufweisen, die sich um einen Faktor Wurzel aus 2 oder um ein Dreifaches oder Vierfaches voneinander unterscheiden. In Figur 5A ist detaillierter der photonische Kristall 4 gemäß Figur 4C illustriert. Die Löcher 51 des ersten Gitters weisen einen größeren Radius rl auf. Der Radius rl der Löcher 51 beträgt zum Beispiel zwischen einschließlich einem 0,40- fachen und einem 0,50-fachen der realen Gitterkonstante A des Gitters mit der kleineren Gitterkonstante. Die Radien r2 der kleineren Löcher 52 betragen beispielsweise zwischen
einschließlich dem 0,15-fachen und dem 0,30-fachen der realen Gitterkonstante A.
In Figur 5C ist ferner eine elektronenmikroskopische Aufnahme des photonischen Kristalls 4 gezeigt. Das Halbleiterbauteil 1 weist eine auf Galliumarsenid basierende
Halbleiterschichtenfolge mit einer Gesamtdicke (T + D) von zirka 800 nm auf und emittiert um eine Scheitelwellenlänge λθ von zirka 850 nm. Die Gitterkonstante A beträgt etwa 270 nm.
In Figur 5B ist ein Verhältnis aus Strahlungsintensitäten II und 12 der von den den photonischen Kristall 4 bildenden Gittern ausgekoppelten Strahlungsintensitäten in Abhängigkeit des Radius rl der Löcher 51 des ersten Gitters angegeben. Der Radius r2 der kleineren Löcher beträgt hierbei ein 0,21- faches der Gitterkonstanten A, vergleiche Figur 5A. Mit zunehmendem Wert der Radien rl steigt der Anteil der
Strahlung, der von den größeren Löchern 51 des Gitters mit der größeren realen Gitterkonstanten aus der
Halbleiterschichtenfolge 2 ausgekoppelt wird. Das Verhältnis II zu 12 ist also durch eine geeignete Wahl der Radien rl, r2 der Löcher 51, 52 der Gitter einstellbar.
In Figur 6 sind Fernfelder einer emittierten Strahlung in Abhängigkeit von einem Emissionswinkel Θ und in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ aufgetragen. In Figur 6A ist das Fernfeld eines Bauteils gezeigt, bei dem der photonische Kristall nur durch ein hexagonales Gitter gebildet ist, beispielsweise nur durch das Gitter mit den kleineren Löchern 52 gemäß Figur 5A. Zum Vergleich ist in Figur 6B das Fernfeld für das Halbleiterbauteil 1 mit dem photonischen Kristall 4 gemäß Figur 5C dargestellt. Helle Bereiche in Figur 6 sind Bereiche, in die verstärkt Strahlung von dem Bauteil oder dem Halbleiterbauteil 1 emittiert wird. In Figur 7A ist schematisch ein photonischer Kristall 4 illustriert, der durch eine Superposition der Gitter 41, 42 gebildet ist. Beispielsweise eine Gesamttiefe der
resultierenden Ausnehmungen in der Schicht, in der der photonische Kristall 4 geformt ist, ergibt sich aus einer Summe der Tiefen der Ausnehmungen, die auf das Gitter 41 zurückgehen sowie der Ausnehmungen, die auf das Gitter 42 zurückgehen. Hieraus resultiert eine vergleichsweise komplexe Struktur des photonischen Kristalls 4, siehe die
elektronenmikroskopische Aufnahme gemäß Figur 7B.
In Figur 7C ist ferner eine zweidimensionale Fourier- Transformation einer Oberseite des photonischen Kristalls 4 gemäß Figur 7B dargestellt. Die Fourier-Amplituden für eine stärkste Bande des Gitters 41 und für eine stärkste Bande des Gitters 42 sind, mit einer Toleranz von höchstens 25 % oder von höchstens 10 %, gleich groß. Mit anderen Worten sind die je stärksten Banden der Gitter 41, 42 in der Darstellung gemäß Figur 7C ungefähr gleich intensiv ausgeprägt. Aus der Fourier-Transformation ist ablesbar, dass die auf die beiden, superpositionierten Gitter zurückgehenden Intensitäten der emittierten Strahlung vergleichbar groß sind. In Figur 8A ist das optische Fernfeld für ein Bauteil angegeben, bei dem eine Abwandlung eines photonischen
Kristall mit nur einem einzigen Gitter, etwa nur dem Gitter 41 der Figur 7A, gebildet ist. In Figur 8B ist das Fernfeld für den photonischen Kristall 4 gemäß Figur 7B gezeigt. Das zugrunde liegende Halbleiterbauteil 1 basiert auf
Indiumgalliumnitrid. Die Halbleiterschichtenfolge weist eine Gesamtdicke (D + T) von zirka 5 ym bis 6 ym auf. Die
Scheitelwellenlänge λθ liegt bei zirka 450 nm. Gemäß Figur 8A beträgt die eine einzige normierte, reziproke Gitterkonstante des hexagonalen Gitters 2,3. Gemäß Figur 8B betragen die normierten, reziproken Gitterkonstanten der zwei
superpositionierten Gitter zirka 1,15 und 2,3. Im Vergleich zu einem abgewandeltem photonischen Kristall etwa gemäß Figur 6A oder Figur 8A ist eine Intensität der von dem Halbleiterbauteil 1 emittierten Strahlung gemäß Figur 6B oder Figur 8B um mehrere Prozent erhöht. Darüber hinaus erfolgt die Emission der Strahlung jeweils konzentriert in einen vergleichsweise kleinen Raumwinkelbereich.
In Figur 9 ist ein Herstellungsverfahren für das
optoelektronische Halbleiterbauteil 1 illustriert. Mit dem Verfahren kann beispielsweise ein Halbleiterbauteil 1 gemäß Figur 7B hergestellt werden.
Gemäß Figur 9A wird über ein lithographisches Verfahren das Gitter 42 mittels eines Belichtens auf einen Fotolack 9, der auf der Halbleiterschichtenfolge 2 mit der aktiven Schicht 3 aufgebracht ist, übertragen. Alternativ kann ein Schreiben des Gitters 42 in den Fotolack 9 beispielsweise über
Elektronenstrahlung erfolgen. Hierdurch resultieren belichtete beziehungsweise mit Elektronen bestrahlte Bereiche 90 des Fotolacks 9.
Gemäß Figur 9B wird das weitere Gitter 41 ebenfalls auf den Fotolack 9 übertragen, so dass ein komplexeres Muster der belichteten beziehungsweise bestrahlten Bereiche 90 entsteht. Die Dosis der Belichtung beziehungsweise der Bestrahlung ist bevorzugt so gewählt, dass der Fotolack 9 durch die
Belichtung beziehungsweise durch die Bestrahlung nicht gesättigt wird. Bei dem Fotolack handelt es sich zum Beispiel um einen Positivlack.
In Figur 9C ist die Geometrie des Fotolacks 9 dargestellt, nach dem die belichteten oder bestrahlten Bereiche 90
entfernt wurden. Anschließend erfolgt ein Ätzen, wodurch die Struktur des Fotolacks 9 auf die Halbleiterschichtenfolge 2 übertragen wird, wodurch der photonische Kristall 4
resultiert, siehe Figur 9D. Anstelle eines lithographischen oder photolithographischen Verfahrens ist ein durch Superposition von zwei Gittern gebildeter photonischer Kristall 4 auch beispielsweise durch ein so genanntes Nanoimprint-Verfahren erzeugbar. Hierbei wird ein entsprechend geformter Stempel auf den Fotolack 9 gedrückt, worauf ein Ätzen erfolgt, so dass die Struktur des Stempels mit Hilfe des Fotolacks auf die
Halbleiterschichtenfolge 2 übertragbar ist.
In Figur 10 ist eine Draufsicht auf den photonischen Kristall 4 gemäß Figur 7B dargestellt. Der photonische Kristall 4 ist hierbei mit einer transparenten, elektrisch leitfähigen
Schicht 7 überdeckt, so dass beispielsweise das
Halbleiterbauteil 1 gemäß Figur 2 resultiert. In Figur 11 ist eine Modenintensität Bm einer Modenverteilung ßm in Einheiten von kg = 2π / λθ dargestellt. Unterhalb von ßm =1 ist die Modenintensität Bm um einen Faktor 50
vergrößert dargestellt. Die Modenverteilung ßm weist ein breites Maximum um zirka 1,3 sowie ein schmäleres Maximum um zirka 2,3 auf. Mit einem photonischen Kristall 4 mit
reziproken Gitterkonstanten von 1,15 und 2,3, zum Beispiel wie in Figur 7B gezeigt, ist bei einer derartigen
Modenverteilung ßm eine hohe Auskoppeleffizienz erzielbar.
Abhängig von der Modenverteilung ßm sind die reziproken
Gitterkonstanten, insbesondere im Falle eines photonischen Kristalls 4, der durch eine Superposition zweier Gitter gebildet ist, anpassbar. Weist die Modenverteilung mehrere
Maxima auf, so kann der photonische Kristall 4 bevorzugt auch durch eine Überlagerung von mehr als zwei Gittern,
beispielsweise durch eine Überlagerung von drei oder von vier Gittern mit verschiedenen Gitterkonstanten, gebildet sein.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die
Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.
Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder dies Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist . Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2009 057 780.7, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) mit
- einer Halbleiterschichtenfolge (2) mit wenigstens einer aktiven Schicht (3) , und
- einem photonischen Kristall (4) zur Einkopplung oder zur Auskopplung einer Strahlung mit einer
Scheitelwellenlänge (λθ) aus der oder in die
Halbleiterschichtenfolge (2),
wobei der photonische Kristall (4) von der aktiven
Schicht (3) beabstandet ist und durch eine Überlagerung von mindestens zwei Gittern (41, 42) mit voneinander verschiedenen, auf die Scheitelwellenlänge (λθ)
normierten reziproken Gitterkonstanten gebildet ist.
2. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach dem
vorhergehenden Anspruch,
bei dem eine der normierten reziproken Gitterkonstanten zwischen einschließlich 1,0 und 1,35 beträgt, und die andere der Gitterkonstanten zwischen einschließlich 1,7 und 2 , 6 beträgt,
und bei dem der photonische Kristall (4) ein
eindimensionaler Kristall ist, wobei der photonische Kristall (4) durch streifenförmige Ausnehmungen gebildet ist . 3. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem
- eine der normierten reziproken Gitterkonstanten zwischen einschließlich 1,0 und 1,35 beträgt, und die andere der Gitterkonstanten zwischen einschließlich 1,7 und 2 , 6 beträgt, - die mindestens zwei Gitter (41, 42) durch Löcher (51, 52) gebildet sind, wobei die Löcher (51, 52) der mindestens zwei Gitter (41, 42) voneinander verschiedene mittlere Radien (rl, r2) aufweisen,
- der mittlere Radius (r2) der Löcher (52) des Gitters (42) mit der kleineren realen Gitterkonstante A2 zwischen einschließlich 0,15 x A2 und 0,30 x A2 liegt,
- der mittlere Radius (rl) der Löcher (51) des Gitters (41) mit der größeren realen Gitterkonstante (AI) zwischen einschließlich 0,40 x A2 und 0,50 x A2 liegt, und
- die Löcher (51, 52) der mindestens zwei Gitter (41, 42) gleiche Tiefen aufweisen.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der photonische Kristall (4) ein Teil der
Halbleiterschichtenfolge (2) ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem für eine oder für zwei der normierten reziproken Gitterkonstanten G gilt:
0, 7 < G < n,
wobei n ein maximaler Brechungsindex der
Halbleiterschichtenfolge (2) ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem für einen Betrag aus einer Differenz der zwei oder von zwei der normierten reziproken Gitterkonstanten Gi, G2 gilt:
0, 5 < ki-G2 I < 2, 5.
7. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der photonische Kristall (4) durch eine
Superposition der mindestens zwei Gitter (41, 42) gebildet ist.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der photonische Kristall (4) auf mindestens einem der folgenden Materialien basiert oder hieraus besteht: AlnGamI ni_n_mN, AlnGamI ni_n_mP, AsnGamI ni-n_mP, ZnO, ZnMgO, CdS, ZnCdS, MgBeO, ZnSe, ZnS, ITO.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem an einer dem photonischen Kristall (4)
abgewandten Hauptseite (20) der Halbleiterschichtenfolge (2) ein Spiegel (6) angebracht ist, wobei ein Abstand (D) zwischen dem Spiegel (6) und der aktiven Schicht (3) mindestens 100 nm und höchstens 6 ym beträgt.
10. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem ein Abstand (T) zwischen dem photonischen
Kristall (4) und der aktiven Schicht (3) mindestens 150 nm und höchstens 8 ym beträgt.
Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem Fourier-Amplituden einer insbesondere
zweidimensionalen Fourier-Transformation des
photonischen Kristalls (4), wobei die Fourier-Amplituden von je einer stärksten Banden von einem der Gitter (41, 42) in der Fourier-Transformation stammen, mit einer Toleranz von höchstens 25 % gleich groß sind.
12. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die mindestens eine aktive Schicht (3) zur Erzeugung von ultraviolettem, sichtbarem und/oder nahinfrarotem Licht ausgebildet ist,
wobei mindestens 40 % einer Intensität des die
Halbleiterschichtenfolge (3) und/oder den photonischen Kristall (4) verlassenden Lichts innerhalb eines
Winkelbereichs mit einem Öffnungswinkel von höchstens 50° aus dem photonischen Kristall (4) emittiert wird.
13. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem eine der aktiven Schicht (3) abgewandte Seite des photonischen Kristalls (4) mit einer Strahlung durchlässigen, elektrisch leitfähigen Schicht (7) bedeckt ist.
14. Optoelektronisches Halbleiterbauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der photonische Kristall (4), in mindestens einem Querschnitt gesehen, eine Rechteck-sägezahnförmige Oberfläche aufweist.
15. Photonischer Kristall (4) für ultraviolette, sichtbare und/oder nahinfrarote Strahlung,
wobei der photonische Kristall (4) frei von einer zu einer Strahlungserzeugung oder zu einer Strahlungsabsorption eingerichteten aktiven Schicht ist, und
der photonische Kristall (4) durch eine Überlagerung von mindestens zwei Gittern (41, 42) mit voneinander
verschiedenen reziproken Gitterkonstanten gebildet ist.
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