WO2016131871A1 - Strahlungskörper und verfahren zur herstellung eines strahlungskörpers - Google Patents

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WO2016131871A1
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elevations
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fine structure
structured
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Philipp Kreuter
Tansen Varghese
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Ams Osram International GmbH
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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    • H10H20/872—Periodic patterns for optical field-shaping, e.g. photonic bandgap structures

Definitions

  • a radiation body It is specified a radiation body.
  • a method for producing a radiation body is specified.
  • An object to be solved is to specify a radiation body in which radiation can be coupled in particularly effectively or coupled out of the radiation in a particularly effective manner.
  • Another object to be solved is to specify a method for producing such a radiation body.
  • Radiation decoupling surfaces are for example from the
  • the radiation body can be optically or electrically pumped and then emit radiation.
  • the radiation body is preferably a semiconductor body, for example an optoelectronic semiconductor body, such as an electroluminescent light-emitting diode, and the base body a semiconductor layer sequence with one in the
  • the semiconductor layer sequence is based, for example, on a III-V compound semiconductor material.
  • the semiconductor material is, for example, a nitride compound semiconductor material such as Al n In] __ n _ m Ga m N, or a phosphide compound semiconductor material such as Al n In] __ n _ m Ga m P, or a Arsenide compound semiconductor material such as Al n In ] __ n _ m Ga m As or Al n In ] __ n _ m Ga m AsP, where each 0 -S n ⁇ 1, 0 -S m ⁇ 1 and m + n ⁇ 1 is. It can the
  • the semiconductor layer sequence is preferably based on AlInGaN or AlInGaAsP.
  • the active layer of the semiconductor layer sequence contains in particular at least one pn junction and / or at least one quantum well structure and can, for example, in
  • the base body can also be based on a phosphor or comprise or be an organic layer sequence.
  • a radiation generated by the base body of the radiation body during operation lies in particular in the spectral range between 400 nm and 800 nm inclusive or in the infrared range with wavelengths of at least 780 nm.
  • Radiation body at least one main page, which is provided with a coarse structure of first surveys.
  • the main side of the radiation body is one side of the radiation body with the largest lateral
  • the main page is to be understood, for example, as a compensation level through the coarse structure. According to at least one embodiment, the
  • Radiation body on a radiation surface The
  • Radiation surface is made up with a fine structure
  • periodic means in particular that each of the second elevation has the same distances from all directly adjacent second elevations within the manufacturing tolerance.
  • the second elevations are arranged like a matrix.
  • Elevations are arranged aperiodisch, wherein the maximum distance between a second survey and all directly adjacent second surveys then preferably at most twice or at most five times or at most ten times the width of the second surveys is.
  • the radiation surface provides in particular a
  • the fine structure from the second elevations becomes nearly an interface between the radiation body and a medium bordering on the radiation body
  • the gradual refractive index transition is understood to be gradual on the scale of the
  • Radiation body and / or adjacent medium is.
  • the materials of the radiation body and of the adjacent medium adjoining the radiation surface are in particular understood to be materials or combinations of materials applied to the radiation surface with layer thicknesses that are at least 50% or 100% or 200% or 300% of the wavelength of the radiation in the radiation surface
  • a passivation layer of 50 nm or less can also be applied to the radiation surface with the fine structure, for example.
  • the spaces between the bumps may be free of this material.
  • these spaces may be filled with air or gas bubbles.
  • Radiation body is coupled, a global maximum of the radiation intensity at a main wavelength max .
  • the main wavelength max is for the radiation in vacuum
  • n is the refractive index of the material adjacent to the radiating surface from which the radiation impinges on the radiating surface
  • a height of an elevation is understood here and below to mean, in particular, the maximum distance between the base area of the elevation and the maximum of the elevation.
  • the width is measured parallel to the base of the survey and is for example the maximum or average width of the survey.
  • the second elevations each taper toward the maximum of the respective second elevation and in this case have heights of at least
  • the distance between two elevations is, for example, the distance between the maxima of the elevations or between the centers of gravity of the bases of the elevations or the minimum distance between side surfaces of the elevations
  • the second tapered elevations can be any shape.
  • Elevations can have the same or other shapes
  • the radiation body comprises at least one main side, which is provided with a coarse structure of first elevations, and at least one
  • Radiation surface which is structured with a fine structure of second elevations.
  • Radiation surface is the radiation from the
  • Radiation body coupled or coupled into the radiation body, that the radiation passes through the fine structure and the fine structure thereby causing the radiation a gradual refractive index transition between materials adjacent to the radiation surface.
  • the radiation has a global maximum of the radiation intensity at a main wavelength max measured in a vacuum.
  • the first elevations also have heights and widths of at least max / n, where n is the refractive index of the
  • the second surveys rejuvenate towards each Maximum of the respective second surveys and each have heights of at least 0.6-X max / n and widths of at most max / (2n). The distance between adjacent second elevations is at most max / (2n).
  • the present invention is based inter alia on the
  • Boundary incident radiation is reflected again. These two mechanisms result in such radiation bodies to a reduced effectiveness of the radiation coupling or radiation decoupling.
  • Total reflection at the radiation surface can be reduced.
  • a fine structure with second elevations is used whose extent is so small that its effect on the incident radiation no longer has to be regarded as radiation-optical, but wave-optically. Due to the tapered or pointed tapering of the second elevations, a gradual transition between the refractive indices of the radiation surface adjacent to the radiation surface is formed for the incident radiation
  • the coarse structure and / or fine structure is formed from the material of the base body, for example from the material of the semiconductor layer sequence, the phosphor or the organic layer sequence.
  • first and / or second elevations are based directly on the coarse structure and / or on the
  • the semiconductor material can be any semiconductor material.
  • the semiconductor material can be any semiconductor material.
  • the active layer of the semiconductor layer sequence is based on GaAs or AlGaAs or AlInGaAsP and emits radiation in the infrared wavelength range during normal operation Main wavelength max measured in vacuum of at least 950 nm or at least 1000 nm or at least 1050 nm.
  • Radiation body in normal operation for the reception of electromagnetic radiation in the visible or
  • Elevations of the fine structure preferably have heights of at least 1.5X max / n.
  • the coarse structure and / or the fine structure are made of one of the material of the base body, for example the material of the base body
  • the base body For example, be applied as a separate layer on the base body.
  • the separate layer is then structured with the first and / or second elevations.
  • the separate layer is a layer of a silicone or a resin or of silicon oxide, such as S1O2, or of a titanium oxide, such as T1O2.
  • a silicone or a resin or of silicon oxide such as S1O2
  • a titanium oxide such as T1O2.
  • Refractive indices of the adjacent materials of the base body and the coarse structure and / or fine structure by at most 0.2 or at most 0.1 or at most 0.05
  • Fine structure and the base body a substantial part of the radiation due to total reflection or Fresnel reflection is reflected.
  • the fine structure is arranged on the coarse structure, that is to say in particular that the second elevations then rise at least partially from side surfaces of the larger first elevations. In this case, therefore, the radiation surface and the main side of the radiation body on the same side of the
  • the first elevations widen at least in regions in the direction away from the active layer. In the widening areas of the first surveys, the peaks of the second surveys or maxima of the second surveys are then in the direction
  • the first elevations can then be formed, for example, from the main side of the radiation body as inverted truncated cones or truncated pyramids.
  • the main side of the radiation body with the coarse structure is on one of
  • the entrance angle of the incoming or outgoing radiation is then effected on one side of the radiation body, the reduction of the Fresnel reflection by the fine structure on the other side of the radiation body.
  • juxtaposed first elevations have alternating heights and / or widths.
  • the widths of two adjacent first surveys should be at least 30%, or at least 40% or at least 50% of each other. Alternating means in particular that alternate larger first surveys and smaller first surveys along the main page.
  • the first surveys may be periodic and / or regular and / or even, for example
  • Grid points be arranged.
  • the first bumps may be arranged aperiodically with an arbitrary or almost arbitrary or random distribution on the main page. It is also possible that all first surveys within the manufacturing tolerance
  • Radiation surface applied to a radiation-transparent, for example, transparent, layer or a converter layer.
  • the radiation-transmissive layer or the converter layer thereby form the medium adjacent to the radiation surface.
  • the converter layer serves in particular to a
  • Converter layer comprise a phosphor such as YAG or sialone.
  • the phosphors can be arranged, for example, in the form of luminous particles in a silicone and / or epoxy and / or resin matrix. Alternatively, the
  • Converter layer also be made ceramic.
  • silicones and / or resins and / or epoxides come into consideration for the radiation-transmissive layer.
  • the radiation-transmissive layer or the converter layer completely reshapes and encapsulates the first and / or second protrusions.
  • the first elevations and / or second elevations are thus positively surrounded by the radiation-transmissive layer or the converter layer and buried under this.
  • the active layer of the semiconductor layer sequence then preferably emits light in the blue or near UV range with wavelengths between 400 nm and 480 nm.
  • a method for producing a radiation body is specified.
  • the method is particularly suitable for the production of one described here
  • Radiation body That is, all features disclosed in connection with the radiation body are also disclosed for the method and vice versa.
  • the method comprises the step A, in which a main body, for example made of a semiconductor layer sequence, of a phosphor or of an organic layer sequence, is provided. in the
  • a global maximum of the radiation intensity at a main wavelength max measured in vacuum The base body for the production of the radiation body and the base body of the radiation body can be identical.
  • a step B a coarse structure of first
  • Elevations applied to a main side of the body Elevations applied to a main side of the body.
  • Elevations formed in the body wherein in operation on the structured radiation surface radiation from the
  • Radiation body is coupled or coupled into the radiation body.
  • the first surveys show
  • the second surveys have particular heights of at least
  • Distance between adjacent second bumps is, for example, at most max / (2n).
  • the coarse structure and / or the fine structure are introduced directly into the main body by means of a wet or dry chemical etching process.
  • a wet or dry chemical etching process for example, a structured
  • Lithography mask can be used. When treated with an etchant, the structure of the lithographic mask can then be transferred to the base body.
  • the coarse structure and / or the fine structure as a separate layer on the
  • the separate layer may have a different material than the base body, such as
  • Example titanium oxide or silicon oxide can then be patterned before or after application to the base body, for example by means of an etching process as mentioned above.
  • first auxiliary structures for example of S1O2 are applied periodically to the surface to be structured.
  • structuring surface then be, for example, at most max / (2n) or at most max / (3n) or at most ⁇ max / (4n).
  • auxiliary structures in the form of spheres which are located on the structure to be structured
  • auxiliary structures thus serve as a mask for structuring.
  • the auxiliary structures can be etched away the same or less strongly as the surface to be structured, so that after the etching process a total of second elevations remain below the auxiliary structures.
  • an etching method is used to form the structured with the fine structure radiation surface in which due to the chemical reactions between etchant and structured surface non-volatile residues on the zu
  • non-volatile residues can then serve as a mask for the further etching process, whereby the second bumps remain after the etching process.
  • the non-volatile residues can then serve as a mask for the further etching process, whereby the second bumps remain after the etching process.
  • non-volatile residues may form the above-mentioned auxiliary structures.
  • seedlings are brought to the surface to be structured during or after the growth of the base body, for example the semiconductor layer sequence, in order to form the radiation surface structured with the fine structure.
  • the growth of the base body is continued, with the second elevations forming in the region of the seedlings from the material of the basic body, for example the material of the semiconductor layer sequence.
  • seedlings for example, intentionally or unintentionally introduced
  • Lattice defects on the surface to be structured serve. It is also possible to seedlings on the intended Apply structuring surface, for example via a vapor-liquid-solid growth, English vapor liquid solid growth, VLS short. Such a process is known, for example, from the publication "Three-dimensional AlGaAs nano-heterostructures using both VLS and MOVPE growth mode" by K.
  • Tateno in which catalytic liquid drops of liquid are applied to the surface to be structured the formation of the semiconductor layer sequence absorbs them at the surface of the droplets and diffuses through the surface.As a result of supersaturation at the interface of the liquid droplet with the underlying substrate of the surface to be patterned, accelerated crystal growth occurs, so that nanostructures are formed in the form of the second elevations become.
  • a stepper method is used to form the radiation surface structured with the fine structure. Stepper methods are known in semiconductor technology photolithographic
  • Structuring method in which a photolithographic mask is moved over the surface to be structured via a scanner unit. By irradiation via an optic, the structure of the mask is transferred to the surface to be structured.
  • self-aligning nanostructures are applied to the surface to be structured in order to form the radiation surface structured with the fine structure. These nanostructures can be applied to the surface to be structured in order to form the radiation surface structured with the fine structure.
  • nanowires for example in the form of nanowires.
  • the nanostructures may have a different material than the main body and be prefabricated.
  • the means, the nanostructures are not just on the
  • the refractive index of the material of the nanostructures preferably deviates by at most 0.2 or at most 0.1 or at most 0.05 from the refractive index of the surface to be structured.
  • Figures 1 to 5 are cross-sectional views of
  • Figures 6A and 6B are cross-sectional views of a
  • the radiation body is selected as an optoelectronic semiconductor body, and the base body and the base body are selected as semiconductor layer sequences.
  • the radiation body can also be based on a phosphor or an organic layer sequence.
  • the base body and the base body are then based on one, for example
  • FIG. 1 shows an optoelectronic semiconductor body 100 in a cross-sectional view.
  • the semiconductor body 100 has a semiconductor layer sequence 1 with an active layer 10.
  • the active layer 10 may generate or absorb electromagnetic radiation during normal operation.
  • the material is the
  • Semiconductor body 100 also has a main side 11, which is provided with a coarse structure 2 in the form of first elevations 20.
  • Main side 11 is a plane parallel to the active layer 10 extending level through the first elevations 20.
  • the first elevations 20 are present pyramid-like and taper towards the away from the active layer 10th
  • the semiconductor body 100 has a radiation surface 12 which, with a fine structure 3 of periodic
  • the second elevations 30 extend at least partially away from side surfaces of the first elevations 20.
  • the second elevations 30 are here in the form of obelisks formed to the maximum of
  • the second elevations 30 may also be designed as pyramids or cones or lenses or hemispheres.
  • FIG. 1 furthermore shows electromagnetic radiation which is coupled out of the semiconductor body 100 or into which
  • a medium adjacent to the semiconductor body 100 in the region of the radiation surface 12 is, for example, vacuum, air or a different one Gas with a refractive index of ng as ⁇ 1.
  • the radiation has a main wavelength of max , at which the
  • Radiation intensity of the generated or received radiation has a global maximum.
  • Semiconductor body 100 is the main wavelength of the radiation X max / n, where n is the refractive index of the material of the
  • Semiconductor body 100 reduces with respect to the vacuum wavelength.
  • the expansions of the first elevations 20, in particular the heights perpendicular to the main side 11 and the widths parallel to the main side 11, are greater than the wavelength max of the radiation.
  • the second elevations 30 of the fine structure 3 have heights and widths in the range of the main vacuum wavelength max or the in-medium main wavelength max / n.
  • the heights of the second elevations 30 are, for example, at least X max / n, and the widths of the second elevations 30 are at most X max / (2n).
  • the spacings of adjacent second elevations 30 are in this case at most max / (2n).
  • the fine structure 3 is so small that for the on or Emerging radiation wave-optical phenomena must be considered. In particular, it is achieved by the pointed flow of the second elevations 30 that the fine structure 3 for the incoming or outgoing radiation a gradual
  • Radiation surface 12 occur can be reduced by the fine structure 3.
  • Figure 2 shows a similar embodiment as Figure 1. In contrast to Figure 1 is in Figure 2 but on the
  • Semiconductor body 100 a radiation-permeable layer 5 or a converter layer 4 applied.
  • the applied layer has a layer thickness of at least ⁇ ⁇ 3 ⁇ / ⁇ ] _.
  • the material has the radiation-permeable
  • Layer 5 or the converter layer 4 a refractive index of n ] _, for example, different from the
  • Converter layer 5 may be adapted to radiation emanating from the semiconductor body 100 or in the
  • Semiconductor body 100 enters, in radiation of others
  • Wavelengths to convert for example by means of a phosphor such as YAG.
  • Converter layer 4 may, but does not have the second
  • Elevations 30 form-fitting reshaping.
  • the main side 11 is formed with the coarse structure 2 on one of the radiation surface 12 with the fine structure 3 opposite side of the active layer 10.
  • the redistribution of the incident angle of the radiation striking the radiation surface 12 thus becomes on the rear side of the semiconductor body 100 via the coarse structure
  • the heights h20 and widths b20 of the first elevations 20 and the heights h3 Q , widths b3 Q and distances d3 Q of the second elevations 30 are also shown in FIG.
  • the heights are measured in each case from the base of the respective survey to the maximum of the respective survey.
  • the widths are in this case the maximum widths parallel to the base of each survey.
  • Distances d3 Q are here the distances of the maxima or tips of the second elevations 30.
  • the fine structure 3 with the second elevations 30 is not formed from the same material as the semiconductor layer sequence 1.
  • Refractive index of the material of the semiconductor layer sequence 1 by less than 0.1.
  • the first elevations 30 are formed in the form of nanostructures 32 which are based on a different material than the semiconductor layer sequence 1.
  • the nanostructures 32 can be applied to the
  • the refractive index of nanostructures 32 is at most 0.2 different from the refractive index of
  • nanostructures 32 in particular nanotubes or nanocones are suitable, which are based for example on an organic material or a semiconductor material, such as GaAs.
  • a main side 11 of the semiconductor layer sequence 1 is already provided with a coarse structure 2 of first elevations 20.
  • the coarse structure 2 may, for example, be introduced into the semiconductor layer sequence 1 via a wet or dry chemical etching process, for example with the aid of a lithography mask. In that shown in FIG. 6A
  • Method step are on the coarse structure 2, in particular on the side walls of the second elevations 20,
  • auxiliary structures 31 applied.
  • the auxiliary structures 31 may be, for example, silicon oxide balls, which after the
  • Silicon oxide spheres can be in direct contact with one another and preferably single-layered on the coarse structure 2 be upset. In the subsequent etching process, the regions of the semiconductor layer sequence 1 between the auxiliary structures 31 are etched away more strongly than the regions
  • Fine structure 3 of the radiation surface 12 form.
  • German patent application DE 10 2015 102365.2 is claimed, which is hereby expressly incorporated by reference.

Landscapes

  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

Es wird ein Strahlungskörper (100) mit einem Basiskörper (1) angegeben, der im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung erzeugt oder absorbiert. Der Strahlungskörper (100) umfasst zumindest eine Hauptseite (11) mit einer Grobstruktur (2) aus ersten Erhebungen (20) und zumindest eine Strahlungsfläche (12) mit einer Feinstruktur (3) aus zweiten Erhebungen (30). Über die Strahlungsfläche (12) wird die Strahlung aus dem Strahlungskörper (100) ausgekoppelt oder in den Strahlungskörper (100) eingekoppelt, sodass die Strahlung die Feinstruktur (3) passiert und die Feinstruktur (3) dabei für die Strahlung einen graduellen Brechungsindexübergang zwischen an die Strahlungsfläche (12) angrenzenden Materialien bewirkt. Die Strahlung weist ein globales Maximum der Strahlungsintensität bei einer Hauptwellenlänge (λmax) gemessen im Vakuum auf. Die ersten Erhebungen (20) weisen Höhen und Breiten von jeweils mindestens λmax/n auf, wobei n der Brechungsindex des Materials ist, aus dem die Strahlung auf die Strahlungsfläche (12) trifft. Die zweiten Erhebungen (30) verjüngen sich jeweils hin zum Maximum und weisen jeweils Höhen von mindestens 0,6·λmax/n und Breiten von höchstens λmax/(2n) auf. Der Abstand zwischen benachbarten zweiten Erhebungen beträgt jeweils höchstens λmax/(2n).

Description

Beschreibung
Strahlungskörper und Verfahren zur Herstellung eines
Strahlungskörpers
Es wird ein Strahlungskörper angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskörpers angegeben . Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Strahlungskörper anzugeben, in den Strahlung besonders effektiv eingekoppelt oder aus dem Strahlung besonders effektiv ausgekoppelt werden kann. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strahlungskörpers anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände und Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Halbleiterkörper mit strukturierten
Strahlungsauskoppelflächen sind zum Beispiel aus der
Druckschrift US 2007/0065960 AI bekannt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Strahlungskörper einen Basiskörper auf, der im
bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung erzeugt oder absorbiert und dann beispielsweise in ein elektronisches oder optisches Signal umwandelt. Insbesondere kann der Strahlungskörper optisch oder elektrisch gepumpt werden und dann Strahlung emittieren. Bevorzugt ist der Strahlungskörper ein Halbleiterkörper, zum Beispiel ein optoelektronischer Halbleiterkörper, wie eine elektrolumineszente Leuchtdiode, und der Basiskörper eine Halbleiterschichtenfolge mit einer in der
Halbleiterschichtenfolge angeordneten aktiven Schicht. Die Halbleiterschichtenfolge basiert zum Beispiel auf einem III- V-Verbindungs-Halbleitermaterial . Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich zum Beispiel um ein Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial, wie AlnIn]__n_mGamN, oder um ein Phosphid-Verbindungshalbleitermaterial , wie AlnIn]__n_ mGamP, oder um ein Arsenid-Verbindungshalbleitermaterial , wie AlnIn]__n_mGamAs oder AlnIn]__n_mGamAsP, wobei jeweils 0 -S n < 1, 0 -S m < 1 und m + n < 1 ist. Dabei kann die
Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche
Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also AI, As, Ga, In, N oder P, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
Bevorzugt basiert die Halbleiterschichtenfolge auf AlInGaN oder AlInGaAsP.
Die aktive Schicht der Halbleiterschichtenfolge beinhaltet insbesondere wenigstens einen pn-Übergang und/oder mindestens eine Quantentopfstruktur und kann zum Beispiel im
bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung erzeugen oder absorbieren.
Der Basiskörper kann statt auf einer Halbleiterschichtenfolge aber auch auf einem Phosphor basieren oder eine organische Schichtenfolge umfassen oder sein. Eine von dem Basiskörper des Strahlungskörpers im Betrieb erzeugte Strahlung liegt insbesondere im Spektralbereich zwischen einschließlich 400 nm und 800 nm oder im infraroten Bereich mit Wellenlängen von zumindest 780 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Strahlungskörper zumindest eine Hauptseite auf, die mit einer Grobstruktur aus ersten Erhebungen versehen ist. Die
Grobstruktur grenzt dabei bevorzugt direkt an den
Basiskörper. Die Hauptseite des Strahlungskörpers ist eine Seite des Strahlungskörpers mit der größten lateralen
Ausdehnung. Die Hauptseite ist dabei zum Beispiel als eine Ausgleichsebene durch die Grobstruktur zu verstehen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der
Strahlungskörper eine Strahlungsfläche auf. Die
Strahlungsfläche ist mit einer Feinstruktur aus
beispielsweise periodisch und/oder regelmäßig und/oder gleichmäßig, zum Beispiel auf regelmäßigen Gitterpunkten, angeordneten zweiten Erhebungen strukturiert. Periodisch bedeutet dabei insbesondere, dass jede der zweiten Erhebung zu allen direkt benachbarten zweiten Erhebungen im Rahmen der Herstellungstoleranz gleiche Abstände aufweist. Bevorzugt sind die zweiten Erhebungen matrixartig angeordnet.
Alternativ ist es aber auch denkbar, dass die zweiten
Erhebungen aperiodisch angeordnet sind, wobei der maximale Abstand zwischen einer zweiten Erhebung und allen direkt benachbarten zweiten Erhebungen dann bevorzugt höchstens das Zweifache oder höchstens das Fünffache oder höchstens das Zehnfache der Breite der zweiten Erhebungen beträgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird über die
Strahlungsfläche Strahlung derart aus dem Strahlungskörper ausgekoppelt oder in den Strahlungskörper eingekoppelt, dass die Strahlung die Feinstruktur passiert und die Feinstruktur dabei für die Strahlung einen graduellen und/oder
kontinuierlichen und/oder stufenfreien Brechungsindexübergang zwischen an die Strahlungsfläche angrenzende Materialien bewirkt. Die Strahlungsfläche stellt insbesondere eine
Grenzfläche zwischen dem Strahlungskörper und einem an den Strahlungskörper grenzenden Medium dar. Weisen das an die Strahlungsfläche grenzende Material des Mediums und das an die Strahlungsfläche grenzende Material des Strahlungskörpers unterschiedliche Brechungsindizes auf, so wird durch die Feinstruktur aus den zweiten Erhebungen ein nahezu
kontinuierlicher Brechungsindexübergang für die eintretende oder austretende Strahlung erzeugt. Dies reduziert
vorteilhafterweise die Fresnel-Reflexion an der
Strahlungsfläche .
Unter dem graduellen Brechungsindexübergang wird insbesondere verstanden, dass dieser graduell auf der Skala der
Wellenlänge oder Wellenlängen der Strahlung im
Strahlungskörper und/oder angrenzenden Medium ist.
Unter den an die Strahlungsfläche angrenzenden Materialien des Strahlungskörpers und des angrenzenden Mediums werden insbesondere solche Materialien oder Materialkombinationen verstanden, die mit Schichtdicken an der Strahlungsfläche aufgebracht sind, die zumindest 50 % oder 100 % oder 200 % oder 300 % der Wellenlänge der Strahlung in dem
entsprechenden Material betragen. Insbesondere kann auf die Strahlungsfläche mit der Feinstruktur zum Beispiel auch eine Passivierungsschicht von 50 nm oder weniger aufgebracht sein.
Ein im Bereich der Strahlungsfläche an den Strahlungskörper grenzendes Medium kann beispielsweise nur im Bereich der Maxima der zweiten Erhebungen an die Strahlungsfläche
grenzen. Die Zwischenräume zwischen den Erhebungen können zum Beispiel frei von diesem Material sein. Beispielsweise können diese Zwischenräume mit Luft oder Gasbläschen aufgefüllt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Strahlung, die aus dem Strahlungskörper ausgekoppelt oder in den
Strahlungskörper eingekoppelt wird, ein globales Maximum der Strahlungsintensität bei einer Hauptwellenlänge max auf. Die Hauptwellenlänge max ist für die Strahlung im Vakuum
angegeben .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die ersten
Erhebungen Höhen und/oder Breiten von jeweils mindestens
Xmax/n oder mindestens 2-Xmax/n oder mindestens 5-Xmax/n oder mindestens 10-Xmax/n auf, wobei n der Brechungsindex des an die Strahlungsfläche grenzenden Materials ist, aus dem die Strahlung auf die Strahlungsfläche trifft.
Unter einer Höhe einer Erhebung wird hier und im Folgenden insbesondere der maximale Abstand zwischen Grundfläche der Erhebung und Maximum der Erhebung verstanden. Die Breite wird parallel zu der Grundfläche der Erhebung gemessen und ist zum Beispiel die maximale oder mittlere Breite der jeweiligen Erhebung .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verjüngen sich die zweiten Erhebungen jeweils hin zum Maximum der jeweiligen zweiten Erhebung und weisen dabei Höhen von mindestens
0,6-Xmax/n oder mindestens max/n oder mindestens 2-Xmax/n und Breiten von höchstens max/ (2n) oder höchstens max/ (3n) oder höchstens max/ (4n) auf. Der Abstand zwischen benachbarten zweiten Erhebungen beträgt insbesondere
höchstens max/ (2n) oder höchstens max/ (3n) oder höchstens Xmax/ (4n) . Unter dem Abstand zweier Erhebungen wird dabei zum Beispiel der Abstand zwischen den Maxima der Erhebungen oder zwischen den Schwerpunkten der Grundflächen der Erhebungen oder der minimale Abstand zwischen Seitenflächen der
Erhebungen verstanden.
Die zweiten sich verjüngenden Erhebungen können
beispielsweise die Form von Pyramiden, Kegeln, Kegelstümpfen Obelisken, Linsen oder Halbkugeln haben. Die ersten
Erhebungen können die gleichen oder weitere Formen aufweisen
In mindestens einer Ausführungsform weist der
Strahlungskörper einen Basiskörper auf, der im
bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung erzeugt oder absorbiert. Ferner umfasst der Strahlungskörper zumindest eine Hauptseite, die mit einer Grobstruktur aus ersten Erhebungen versehen ist, und zumindest eine
Strahlungsfläche, die mit einer Feinstruktur aus zweiten Erhebungen strukturiert ist. Über die strukturierte
Strahlungsfläche wird die Strahlung derart aus dem
Strahlungskörper ausgekoppelt oder in den Strahlungskörper eingekoppelt, dass die Strahlung die Feinstruktur passiert und die Feinstruktur dabei für die Strahlung einen graduellen Brechungsindexübergang zwischen an die Strahlungsfläche angrenzenden Materialien bewirkt. Die Strahlung weist dabei ein globales Maximum der Strahlungsintensität bei einer Hauptwellenlänge max gemessen im Vakuum auf. Die ersten Erhebungen weisen ferner Höhen und Breiten von jeweils mindestens max/n auf, wobei n der Brechungsindex des
Materials ist, aus dem die Strahlung auf die Strahlungsfläche trifft. Die zweiten Erhebungen verjüngen sich jeweils hin zum Maximum der jeweiligen zweiten Erhebungen und weisen dabei jeweils Höhen von mindestens 0,6-Xmax/n und Breiten von höchstens max/ (2n) auf. Der Abstand zwischen benachbarten zweiten Erhebungen beträgt jeweils höchstens max/ (2n) .
Die vorliegende Erfindung beruht unter anderem auf der
Erkenntnis, dass die Effektivität der Auskopplung oder
Einkopplung von Strahlung aus oder in einen Strahlungskörper, wie zum Beispiel einen Halbleiterkörper, aufgrund von
Reflexionseffekten begrenzt ist. Dies liegt zum einen daran, dass oberhalb des Totalreflexionswinkels eintreffende
Strahlung an den Grenzflächen zwischen Strahlungskörper und benachbartem Medium vollständig reflektiert wird. Unterhalb der Totalreflexionswinkel treten aber auch Fresnel- Reflexionen auf, bei denen nur ein Teil der auf die
Grenzfläche eintreffenden Strahlung wieder reflektiert wird. Diese beiden Mechanismen führen bei solchen Strahlungskörpern zu einer reduzierten Effektivität der Strahlungseinkopplung oder Strahlungsauskopplung.
Die hier beschriebene Erfindung basiert unter anderem auf der Idee, zwei verschiedene Strukturierungen in den
Strahlungskörper einzubringen und damit beide Arten, also Totalreflexion und Fresnel-Reflexion, zu reduzieren. Eine Grobstruktur mit ersten Erhebungen weist Ausdehnungen im Bereich der Wellenlänge der Strahlung oder größer auf. An solchen Strukturen wird die auftreffende Strahlung unter einem neuen Emissionswinkel reflektiert. Dadurch kommt es zu einer Umverteilung der Einfallswinkel der Strahlung auf die Strahlungsfläche. Auf diese Weise kann der Anteil an
Totalreflexion an der Strahlungsfläche reduziert werden. Zusätzlich wird bei der hier beschriebenen Erfindung aber auch noch eine Feinstruktur mit zweiten Erhebungen verwendet, deren Ausdehnung so klein ist, dass deren Effekt auf die eintreffende Strahlung nicht mehr strahlungsoptisch, sondern wellenoptisch betrachtet werden muss. Durch das verjüngende oder spitze Zulaufen der zweiten Erhebungen wird für die einfallende Strahlung ein gradueller Übergang zwischen den Brechungsindizes der an die Strahlungsfläche grenzenden
Medien oder Materialien erzeugt. Durch solch einen graduellen Brechungsindexübergang kann der Anteil an Fresnel-Reflexion an der Strahlungsfläche reduziert werden, was die Aus- oder Einkoppeleffektivität für den Strahlungskörper erhöht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Grobstruktur und/oder Feinstruktur aus dem Material des Basiskörpers, zum Beispiel aus dem Material der Halbleiterschichtenfolge, des Phosphors oder der organischen Schichtenfolge gebildet.
Insbesondere basieren die ersten und/oder zweiten Erhebungen auf dem direkt an die Grobstruktur und/oder an die
Feinstruktur grenzenden Material des Grundkörpers,
beispielsweise auf dem Halbleitermaterial der
Halbleiterschichtenfolge. Das Halbleitermaterial kann
beispielsweise eines der oben genannten Halbleitermaterialien sein .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die ersten
Erhebungen Höhen und/oder Breiten von höchstens 5 ym oder höchstens 4 ym oder höchstens 3 ym auf. Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die aktive Schicht der Halbleiterschichtenfolge auf GaAs oder AlGaAs oder AlInGaAsP und emittiert im bestimmungsgemäßen Betrieb Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich mit einer Hauptwellenlänge max gemessen im Vakuum von mindestens 950 nm oder mindestens 1000 nm oder mindestens 1050 nm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der
Strahlungskörper im bestimmungsgemäßen Betrieb zum Empfang von elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren oder
infraroten Spektralbereich eingerichtet. Die zweiten
Erhebungen der Feinstruktur weisen bevorzugt Höhen von mindestens l,5'Xmax/n auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Grobstruktur und/oder die Feinstruktur aus einem von dem Material des Basiskörpers, zum Beispiel vom Material der
Halbleiterschichtenfolge oder des Phosphors oder der
organischen Schichtenfolge, unterschiedlichen Material gebildet oder weisen ein unterschiedliches Material auf oder bestehen aus einem solchen unterschiedlichen Material. Die Grobstruktur und/oder die Feinstruktur können dann
beispielsweise als eine separate Schicht auf den Basiskörper aufgebracht sein. Die separate Schicht ist dann mit den ersten und/oder zweiten Erhebungen strukturiert.
Beispielsweise handelt es sich bei der separaten Schicht um eine Schicht aus einem Silikon oder einem Harz oder aus Siliziumoxid, wie S1O2, oder aus einem Titanoxid, wie T1O2 · In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die
Brechungsindizes der aneinandergrenzenden Materialien des Grundkörpers und der Grobstruktur und/oder Feinstruktur um höchstens 0,2 oder höchstens 0,1 oder höchstens 0,05
voneinander abweichen. Auf diese Weise wird verhindert, dass schon an der Grenzfläche zwischen Grobstruktur und/oder
Feinstruktur und dem Basiskörper ein wesentlicher Teil der Strahlung aufgrund von Totalreflexion oder Fresnel-Reflexion reflektiert wird. Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Feinstruktur auf der Grobstruktur angeordnet, das heißt insbesondere, dass sich dann die zweiten Erhebungen zumindest teilweise von Seitenflächen der größeren ersten Erhebungen aus erheben. In diesem Fall sind also die Strahlungsfläche und die Hauptseite des Strahlungskörpers auf derselben Seite des
Strahlungskörpers .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verbreitern sich die ersten Erhebungen in Richtung weg von der aktiven Schicht zumindest bereichsweise. In den verbreiternden Bereichen der ersten Erhebungen sind die Spitzen der zweiten Erhebungen oder Maxima der zweiten Erhebungen dann in Richtung
Hauptseite gerichtet. Die ersten Erhebungen können dann beispielsweise von der Hauptseite des Strahlungskörpers aus gesehen als umgedrehte Kegelstümpfe oder Pyramidenstümpfe ausgebildet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Hauptseite des Strahlungskörpers mit der Grobstruktur auf einer der
Strahlungsfläche gegenüberliegenden Seite des
Strahlungskörpers ausgebildet. Die Umverteilung der
Eintrittswinkel der ein- oder austretenden Strahlung wird dann also auf der einen Seite des Strahlungskörpers bewirkt, die Reduzierung der Fresnel-Reflexion durch die Feinstruktur auf der anderen Seite des Strahlungskörpers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen nebeneinander angeordnete erste Erhebungen alternierende Höhen und/oder Breiten auf. Dabei unterscheiden sich die Höhen und/oder
Breiten zweier benachbarter erster Erhebungen beispielsweise um mindestens 30 % oder mindestens 40 % oder mindestens 50 % voneinander. Alternierend bedeutet insbesondere, dass sich größere erste Erhebungen und kleinere erste Erhebungen entlang der Hauptseite abwechseln.
Die ersten Erhebungen können dabei periodisch und/oder regelmäßig und/oder gleichmäßig, zum Beispiel auf
Gitterpunkten, angeordnet sein. Alternativ können die ersten Erhebungen aber auch aperiodisch mit einer willkürlichen oder nahezu willkürlichen oder statistischen Verteilung auf der Hauptseite angeordnet sein. Auch ist es möglich, dass alle ersten Erhebungen innerhalb der Herstellungstoleranz
identische Abmessungen in Höhe und/oder Breite aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist auf die
Strahlungsfläche eine strahlungsdurchlässige, zum Beispiel klarsichtige, Schicht oder eine Konverterschicht aufgebracht. Die strahlungsdurchlässige Schicht oder die Konverterschicht bilden dabei das an die Strahlungsfläche angrenzende Medium. Insbesondere sind die Schichtdicken der
strahlungsdurchlässigen Schicht oder der Konverterschicht dann größer als 0,5-Xmax/n.
Die Konverterschicht dient insbesondere dazu, eine
Verschiebung der Wellenlänge der eintreffenden oder
ausgekoppelten Strahlung zu bewirken. Dazu kann die
Konverterschicht einen Leuchtstoff, wie YAG oder Sialone, aufweisen. Die Leuchtstoffe können beispielsweise in Form von Leuchtpartikeln in einer Silikon- und/oder Epoxid- und/oder Harzmatrix angeordnet sein. Alternativ kann die
Konverterschicht auch keramisch ausgeführt sein. Für die strahlungsdurchlässige Schicht kommen zum Beispiel Silikone und/oder Harze und/oder Epoxide in Betracht. Insbesondere umformen die strahlungsdurchlässige Schicht oder die Konverterschicht die ersten und/oder zweiten Erhebungen vollständig und verkapseln diese. Die ersten Erhebungen und/oder zweiten Erhebungen sind also formschlüssig von der strahlungsdurchlässigen Schicht oder der Konverterschicht umgeben und unter dieser begraben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform basiert die
Halbleiterschichtenfolge auf GaN. Die aktive Schicht der Halbleiterschichtenfolge emittiert dann bevorzugt Licht im blauen oder nahen UV-Bereich mit Wellenlängen zwischen 400 nm und 480 nm.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskörpers angegeben. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung eines hier beschriebenen
Strahlungskörpers. Das heißt, sämtliche in Verbindung mit dem Strahlungskörper offenbarten Merkmale sind auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt A, in dem ein Grundkörper, zum Beispiel aus einer Halbleiterschichtenfolge, aus einem Phosphor oder aus einer organischen Schichtenfolge, bereitgestellt wird. Im
bestimmungsgemäßen Betrieb weist eine in dem Grundkörper erzeugte oder eine auf den Strahlungskörper treffende
Strahlung ein globales Maximum der Strahlungsintensität bei einer Hauptwellenlänge max gemessen im Vakuum auf. Der Grundkörper für die Herstellung des Strahlungskörpers und der Basiskörper des Strahlungskörpers können identisch sein. In einem Schritt B wird eine Grobstruktur aus ersten
Erhebungen auf eine Hauptseite des Grundkörpers aufgebracht.
In einem weiteren Schritt C wird eine Strahlungsfläche mit einer Feinstruktur aus periodisch angeordneten zweiten
Erhebungen im Grundkörper ausgebildet, wobei im Betrieb über die strukturierte Strahlungsfläche Strahlung aus dem
Strahlungskörper ausgekoppelt oder in den Strahlungskörper eingekoppelt wird. Die ersten Erhebungen weisen dabei
bevorzugt Höhen und Breiten von jeweils mindestens max/n auf, wobei n der Brechungsindex des Materials ist, aus dem die Strahlung auf die Strahlungsfläche trifft. Die zweiten Erhebungen weisen insbesondere Höhen von mindestens
0,6-Xmax/n und Breiten von höchstens max/ (2n) auf. Der
Abstand zwischen benachbarten zweiten Erhebungen beträgt beispielsweise höchstens max/ (2n) .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Grobstruktur und/oder die Feinstruktur direkt in den Grundkörper mittels eines nass- oder trockenchemischen Ätzverfahrens eingebracht. Es ist aber auch möglich, dass die Grobstruktur über ein mechanisches Abtrageverfahren, wie Zerteilen, englisch Dicen, oder Sägen, erzeugt wird. Für das nass- oder trockenchemische Ätzverfahren kann beispielsweise eine strukturierte
Lithografiemaske verwendet werden. Bei Behandlung mit einem Ätzmittel kann sich dann die Struktur der Lithografiemaske auf den Grundkörper übertragen.
Möglich sind auch selektive Ätzverfahren, die
unterschiedliche Ätzraten für unterschiedliche
Kristallrichtungen aufweisen, wie KOH-Ätzen. Dabei kann auf eine Lithografiemaske verzichtet werden, da sich über die unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeiten für unterschiedliche Kristallrichtungen automatisch zum Beispiel pyramidenartige Strukturen in dem Grundkörper ausbilden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Grobstruktur und/oder die Feinstruktur als separate Schicht auf den
Grundkörper aufgebracht. Die separate Schicht kann dabei ein anderes Material als der Grundkörper aufweisen, wie zum
Beispiel Titanoxid oder Siliziumoxid. Insbesondere kann die separate Schicht dann vor oder nach dem Aufbringen auf den Grundkörper strukturiert werden, beispielsweise mittels eines wie oben genannten Ätzverfahrens.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden zur Ausbildung der mit der Feinstruktur strukturierten Strahlungsfläche zunächst Hilfsstrukturen, zum Beispiel aus S1O2, periodisch auf die zu strukturierende Oberfläche aufgebracht. Die
Breiten der Hilfsstrukturen parallel zu der zu
strukturierenden Oberfläche betragen dann beispielsweise höchstens max/ (2n) oder höchstens max/ (3n) oder höchstens ^max/ (4n) . Zur periodischen Aufbringung der Hilfsstrukturen können insbesondere Hilfsstrukturen in Form von Kugeln verwendet werden, die sich auf der zu strukturierenden
Oberfläche bevorzugt überwiegend oder vollständig
einschichtig ausbreiten und dabei untereinander in direktem Kontakt zueinander stehen. Die Kugeln bilden dann also eine einschichtige dichteste Kugelpackung auf der zu
strukturierenden Oberfläche. Zwischen den Hilfsstrukturen verbleiben Zwischenräume, in denen die darunterliegende zu strukturierende Oberfläche frei zugänglich ist.
Anschließend kann zum Beispiel über ein gerichtetes oder ungerichtetes Ätzverfahren der Bereich der zu
strukturierenden Oberfläche zwischen den Hilfsstrukturen stärker weggeätzt werden als die Bereiche unter den
Hilfsstrukturen. Die Hilfsstrukturen dienen also als Maske für die Strukturierung. Beim Aufbringen eines Ätzmittels können die Hilfsstrukturen gleich oder weniger stark wie die zu strukturierende Oberfläche weggeätzt werden, sodass nach dem Ätzprozess insgesamt zweite Erhebungen unterhalb der Hilfsstrukturen verbleiben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird zur Ausbildung der mit der Feinstruktur strukturierten Strahlungsfläche ein Ätzverfahren verwendet, bei dem aufgrund der auftretenden chemischen Reaktionen zwischen Ätzmittel und strukturierter Oberfläche nichtflüchtige Rückstände auf der zu
strukturierenden Oberfläche verbleiben. Diese nichtflüchtigen Rückstände können dann als Maske für das weitere Ätzverfahren dienen, wodurch die zweiten Erhebungen nach dem Ätzverfahren verbleiben. Die nichtflüchtigen Rückstände können
beispielsweise auf organischen Verbindungen basieren.
Insbesondere können die nichtflüchtigen Rückstände die oben genannten Hilfsstrukturen bilden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden zur Ausbildung der mit der Feinstruktur strukturierten Strahlungsfläche Keimlinge während oder nach dem Wachstum des Grundkörpers, beispielsweise der Halbleiterschichtenfolge, auf die zu strukturierende Oberfläche gebracht. In einem anschließenden Schritt wird das Wachstum des Grundkörpers fortgesetzt, wobei sich im Bereich der Keimlinge die zweiten Erhebungen aus dem Material des Grundkörpers, zum Beispiel des Materials der Halbleiterschichtenfolge, bilden. Als Keimlinge können zum Beispiel beabsichtigt oder unbeabsichtigt eingebrachte
Gitterdefekte auf der zu strukturierenden Oberfläche dienen. Auch ist es möglich, Keimlinge beabsichtigt auf die zu strukturierende Oberfläche aufzubringen, beispielsweise über ein Dampf-Flüssig-Fest-Wachstum, englisch vapour liquid solid growth, kurz VLS. Ein solches Verfahren ist zum Beispiel aus der Druckschrift „Three-dimensional AlGaAs nano- heterostructures using both VLS and MOVPE growth mode" von K. Tateno bekannt. Dabei werden katalytisch wirkende flüssige Legierungstropfen auf der zu strukturierenden Oberfläche aufgebracht. Bei anschließender Einführung der Reaktionsgase für die Bildung der Halbleiterschichtenfolge werden diese an der Oberfläche der Tropfen absorbiert und diffundieren durch die Oberfläche hindurch. Aufgrund einer Übersättigung an der Grenzfläche des flüssigen Tropfens mit dem darunterliegenden Untergrund der zu strukturierenden Oberfläche kommt es zum beschleunigten Kristallwachstum, sodass Nanostrukturen in Form der zweiten Erhebungen ausgebildet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird zur Ausbildung der mit der Feinstruktur strukturierten Strahlungsfläche ein Stepper-Verfahren verwendet. Stepper-Verfahren sind in der Halbleitertechnik bekannte fotolithografische
Strukturierungsverfahren, in denen über eine Scanner-Einheit eine fotolithografische Maske über die zu strukturierende Oberfläche gefahren wird. Durch Bestrahlung über eine Optik wird dabei die Struktur der Maske auf die zu strukturierende Oberfläche übertragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden zur Ausbildung der mit der Feinstruktur strukturierten Strahlungsfläche selbstausrichtende Nanostrukturen auf die zu strukturierende Oberfläche aufgebracht. Diese Nanostrukturen können
beispielsweise in Form von Nanodrähten vorliegen.
Insbesondere können die Nanostrukturen ein anderes Material als der Grundkörper aufweisen und vorgefertigt sein. Das heißt, die Nanostrukturen werden nicht erst auf dem
Grundkörper ausgebildet, sondern sind bereits zuvor als Nanostrukturen vorhanden. Der Brechungsindex des Materials der Nanostrukturen weicht bevorzugt um höchstens 0,2 oder höchstens 0,1 oder höchstens 0,05 von dem Brechungsindex der zu strukturierenden Oberfläche ab.
Nachfolgend wird ein hier beschriebener Strahlungskörper sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskörpers unter Bezugnahme auf Zeichnungen 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 bis 5 Querschnittsansichten von
Ausführungsbeispielen eines Strahlungskörpers,
Figuren 6A und 6B Querschnittsansichten eines
Ausführungsbeispiels eines Strahlungskörpers in der
Herstellung . Im Folgenden ist beispielhaft der Strahlungskörper als ein optoelektronischer Halbleiterkörper gewählt, der Basiskörper sowie der Grundkörper sind als Halbleiterschichtenfolgen gewählt. Alternativ kann in allen Ausführungsbeispielen der Strahlungskörper aber auch auf einem Phosphor oder einer organischen Schichtenfolge basieren. Der Basiskörper und der Grundkörper basieren dann zum Beispiel auch auf einem
Phosphor oder einer organischen Schichtenfolge. In Figur 1 ist ein optoelektronischer Halbleiterkörper 100 in Querschnittsansicht gezeigt. Der Halbleiterkörper 100 weist eine Halbleiterschichtenfolge 1 mit einer aktiven Schicht 10 auf. Die aktive Schicht 10 kann im bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische Strahlung erzeugen oder absorbieren.
Beispielsweise handelt es sich bei dem Material der
Halbleiterschichtenfolge 1 um GaAs oder InGaAsP. Der
Halbleiterkörper 100 weist ferner eine Hauptseite 11 auf, die mit einer Grobstruktur 2 in Form von ersten Erhebungen 20 versehen ist. Die als gestrichelte Linie gekennzeichnete
Hauptseite 11 ist dabei eine parallel zur aktiven Schicht 10 verlaufende Ausgleichsebene durch die ersten Erhebungen 20. Die ersten Erhebungen 20 sind vorliegend pyramidenartig ausgebildet und verjüngen sich in Richtung weg von der aktiven Schicht 10.
Ferner weist der Halbleiterkörper 100 eine Strahlungsfläche 12 auf, die mit einer Feinstruktur 3 aus periodisch
angeordneten zweiten Erhebungen 30 versehen ist. Im Fall der Figur 1 befindet sich die Strahlungsfläche 12 auf der
Grobstruktur 2. Die zweiten Erhebungen 30 erstrecken sich dabei zumindest teilweise weg von Seitenflächen der ersten Erhebungen 20. Die zweiten Erhebungen 30 sind hier in Form von Obelisken ausgebildet, die sich zum Maximum der
jeweiligen zweiten Erhebungen 30 hin verjüngen. Alternativ können die zweiten Erhebungen 30 aber auch als Pyramiden oder Kegel oder Linsen oder Halbkugeln ausgebildet sein.
Figur 1 zeigt ferner elektromagnetische Strahlung, die aus dem Halbleiterkörper 100 ausgekoppelt oder in den
Halbleiterkörper 100 eingekoppelt wird. Vorliegend ist ein an den Halbleiterkörper 100 im Bereich der Strahlungsfläche 12 grenzendes Medium beispielsweise Vakuum, Luft oder ein anders Gas mit einem Brechungsindex von ngas ~ 1. Die Strahlung weist innerhalb des an den Halbleiterkörper 100 grenzenden Mediums eine Hauptwellenlänge von max auf, bei der die
Strahlungsintensität der erzeugten oder empfangenen Strahlung ein globales Maximum aufweist. Innerhalb des
Halbleiterkörpers 100 ist die Hauptwellenlänge der Strahlung Xmax/n, wobei n der Brechungsindex des Materials der
Halbleiterschichtenfolge 1 ist. Typische Brechungsindizes von Halbleiterschichtenfolgen liegen im Bereich zwischen n = 2,5 und n = 3,5. Durch den höheren Brechungsindex innerhalb des Halbleitermaterials ist die Wellenlänge innerhalb des
Halbleiterkörpers 100 reduziert gegenüber der Vakuum- Wellenlänge .
Wie aus Figur 1 zu entnehmen ist, sind die Ausdehnungen der ersten Erhebungen 20, insbesondere die Höhen senkrecht zur Hauptseite 11 und die Breiten parallel zur Hauptseite 11, größer als die Wellenlänge max der Strahlung. Die zweiten Erhebungen 30 der Feinstruktur 3 weisen dagegen Höhen und Breiten im Bereich der Vakuum-Hauptwellenlänge max oder der In-Medium-Hauptwellenlänge max/n auf. Vorliegend sind die Höhen der zweiten Erhebungen 30 beispielsweise mindestens Xmax/n, die Breiten der zweiten Erhebungen 30 höchstens Xmax/ (2n) . Auch die Abstände benachbarter zweiter Erhebungen 30 sind vorliegend höchstens max/ (2n) .
Durch die verhältnismäßig großen Abmessungen der Grobstruktur 2 kann die auf die Grobstruktur 2 treffende Strahlung
strahlungsoptisch behandelt werden. Durch die Reflexion der Strahlung an der Grobstruktur 2 werden die Eintrittswinkel der Strahlung umverteilt, wodurch der Anteil an
Totalreflexion an der Strahlungsfläche 12 reduziert wird. Die Feinstruktur 3 ist dagegen so klein, dass für die ein- oder austretende Strahlung wellenoptische Phänomene berücksichtigt werden müssen. Insbesondere ist durch das spitze Zulaufen der zweiten Erhebungen 30 erreicht, dass die Feinstruktur 3 für die ein- oder austretende Strahlung einen graduellen
Brechungsindexübergang zwischen dem im Bereich der
Strahlungsfläche 12 an den Halbleiterkörper 100 angrenzenden Medium und dem Halbleiterkörper 100 bewirkt. Auf diese Weise können Fresnel-Reflexionen, die beim Auftreffen auf die
Strahlungsfläche 12 auftreten, durch die Feinstruktur 3 reduziert werden.
Figur 2 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie Figur 1. Im Unterschied zu Figur 1 ist in Figur 2 aber auf den
Halbleiterkörper 100 eine strahlungsdurchlässige Schicht 5 oder eine Konverterschicht 4 aufgebracht. Die aufgebrachte Schicht weist eine Schichtdicke von zumindest λιη3χ/η]_ auf. Vorliegend hat das Material der strahlungsdurchlässigen
Schicht 5 oder der Konverterschicht 4 einen Brechungsindex von n]_, der beispielsweise unterschiedlich von dem
Brechungsindex n in dem Halbleiterkörper 100 ist. Die
Konverterschicht 5 kann dazu eingerichtet sein, Strahlung, die aus dem Halbleiterkörper 100 austritt oder in den
Halbleiterkörper 100 eintritt, in Strahlung anderer
Wellenlängen zu konvertieren, beispielsweise mittels eines Leuchtstoffs wie YAG.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 sind sowohl die
Grobstruktur 2 und deren erste Erhebungen 20 als auch die Feinstruktur 3 und deren zweite Erhebungen 30 vollständig von der strahlungsdurchlässigen Schicht 5 oder der
Konverterschicht 4 überdeckt und von dieser umgeben. Jedoch können zwischen den einzelnen zweiten Erhebungen 30 Freiräume verbleiben, die zum Beispiel Luft oder Gasblasen enthalten. Die strahlungsdurchlässige Schicht 5 oder die
Konverterschicht 4 kann, muss aber nicht die zweiten
Erhebungen 30 formschlüssig nachformen.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Figur 1 die Hauptseite 11 mit der Grobstruktur 2 auf einer der Strahlungsfläche 12 mit der Feinstruktur 3 gegenüberliegenden Seite der aktiven Schicht 10 ausgebildet. Die Umverteilung der Eintrittswinkel der auf die Strahlungsfläche 12 treffenden Strahlung wird also auf der Rückseite des Halbleiterkörpers 100 über die Grobstruktur
2 erreicht, die Auskopplung über die Strahlungsfläche 12 erfolgt über die gegenüberliegende Vorderseite.
Zur Illustration sind in der Figur 3 auch die Höhen h20 und Breiten b20 der ersten Erhebungen 20 sowie die Höhen h3Q, Breiten b3Q und Abstände d3Q der zweiten Erhebungen 30 eingezeichnet. Die Höhen sind jeweils von der Grundfläche der jeweiligen Erhebung bis zum Maximum der jeweiligen Erhebung gemessen. Die Breiten sind vorliegend die maximalen Breiten parallel zur Grundfläche der jeweiligen Erhebung. Die
Abstände d3Q sind vorliegend die Abstände der Maxima oder Spitzen der zweiten Erhebungen 30.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 4 ist im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 3 die Feinstruktur 3 mit den zweiten Erhebungen 30 nicht aus demselben Material wie die Halbleiterschichtenfolge 1 gebildet. Die Feinstruktur
3 mit den zweiten Erhebungen 30 ist vorliegend als eine separate Schicht direkt auf die Halbleiterschichtenfolge 1 aufgebracht. Dabei unterscheidet sich bevorzugt der
Brechungsindex des Materials der Feinstruktur 3 von dem
Brechungsindex des Materials der Halbleiterschichtenfolge 1 um weniger als 0,1. Beispielsweise basiert die Halbleiterschichtenfolge 1 auf GaN, die Feinstruktur 3 mit den zweiten Erhebungen 30 auf Titanoxid.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 5 sind die ersten Erhebungen 30 in Form von Nanostrukturen 32 ausgebildet, die auf einem anderen Material als die Halbleiterschichtenfolge 1 basieren. Die Nanostrukturen 32 können beispielsweise auf die
Oberfläche der Grobstruktur 3 aufgebracht werden und sich dort selbst organisieren und dabei die periodisch
angeordneten ersten Erhebungen 30 ausbilden. Beispielsweise ist der Brechungsindex der Nanostrukturen 32 um höchstens 0,2 unterschiedlich vom Brechungsindex der
Halbleiterschichtenfolge 1. Für die Nanostrukturen 32 kommen insbesondere Nanoröhrchen oder Nanokegel in Frage, die beispielsweise auf einem organischen Material oder einem Halbleitermaterial, wie GaAs, basieren.
Die Ausführungsbeispiele der Figuren 6A und 6B zeigen
verschiedene Verfahrensschritte zur Herstellung eines
optoelektronischen Halbleiterkörpers 100. Dabei ist in Figur 6A eine Hauptseite 11 der Halbleiterschichtenfolge 1 bereits mit einer Grobstruktur 2 aus ersten Erhebungen 20 versehen. Die Grobstruktur 2 kann zum Beispiel über ein nass- oder trockenchemisches Ätzverfahren, beispielsweise mit Hilfe einer Lithografiemaske, in die Halbleiterschichtenfolge 1 eingebracht sein. In dem in der Figur 6A gezeigten
Verfahrensschritt sind auf die Grobstruktur 2, insbesondere auf die Seitenwände der zweiten Erhebungen 20,
Hilfsstrukturen 31 aufgebracht. Die Hilfsstrukturen 31 können beispielsweise Siliziumoxid-Kugeln sein, die nach der
Ausbildung der Grobstruktur aufgebracht werden. Die
Siliziumoxidkugeln können in direktem Kontakt zueinander stehen und bevorzugt einschichtig auf die Grobstruktur 2 aufgebracht sein. Bei dem anschließenden Ätzverfahren werden die Bereiche der Halbleiterschichtenfolge 1 zwischen den Hilfsstrukturen 31 stärker weggeätzt als die Bereiche
unterhalb der Hilfsstrukturen 31. Dadurch bleiben, wie in Figur 6B gezeigt, zweite Erhebungen 30 zurück, die die
Feinstruktur 3 der Strahlungsfläche 12 bilden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese 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 diese Merkmale oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Es wird die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2015 102365.2 beansprucht, die hiermit ausdrücklich durch Rückbezug aufgenommen wird.
Bezugs zeichenliste
1 Basiskörper, Halbleiterschichtenfolge
2 Grobstruktur
3 Feinstruktur
4 Konverterschicht
5 strahlungsdurchlässige Schicht
10 aktive Schicht
11 Hauptseite
12 Strahlungsfläche
20 erste Erhebungen
30 zweite Erhebungen
31 Hilfsstrukturen
32 Nanostrukturen
100 Strahlungskörper, Halbleiterkörper h20 Höhe der ersten Erhebungen 20
b20 Breite der ersten Erhebungen 20 h30 Höhe der zweiten Erhebungen 30
b30 Breite der zweiten Erhebungen 30 d30 Abstand zwischen zweiten Erhebungen 30

Claims

Patentansprüche
1. Strahlungskörper (100), aufweisend
- einen Basiskörper (1), der im bestimmungsgemäßen
Betrieb elektromagnetische Strahlung erzeugt oder absorbiert,
- zumindest eine Hauptseite (11), die mit einer
Grobstruktur (2) aus ersten Erhebungen (20) versehen ist,
- zumindest eine Strahlungsfläche (12), die mit einer
Feinstruktur (3) aus zweiten Erhebungen (30) strukturiert ist, wobei
- über die strukturierte Strahlungsfläche (12) die
Strahlung derart aus dem Strahlungskörper (100) ausgekoppelt oder in den Strahlungskörper (100) eingekoppelt wird, dass die Strahlung die
Feinstruktur (3) passiert und die Feinstruktur (3) dabei für die Strahlung einen graduellen
Brechungsindexübergang zwischen an die
Strahlungsfläche (12) angrenzenden Materialien bewirkt,
- die Strahlung ein globales Maximum der
Strahlungsintensität bei einer Hauptwellenlänge
(Xmax) gemessen im Vakuum aufweist,
- die ersten Erhebungen (20) Höhen und Breiten von jeweils mindestens max/n aufweisen, wobei n der Brechungsindex des Materials ist, aus dem die Strahlung auf die Strahlungsfläche (12) trifft,
- die zweiten Erhebungen (30) sich jeweils zum Maximum der jeweiligen zweiten Erhebung (30) hin verjüngen und dabei jeweils Höhen von mindestens 0,6-Xmax/n und Breiten von höchstens max/ (2n) aufweisen, wobei der Abstand zwischen benachbarten zweiten Erhebungen (30) jeweils höchstens max/ (2n) beträgt.
Strahlungskörper (100) nach Anspruch 1, wobei
- der Strahlungskörper (100) ein optoelektronischer
Halbleiterkörper (100) in Form einer
elektrolumineszenten Leuchtdiode ist,
- der Basiskörper (1) eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer aktiven Schicht (10) ist, die im
bestimmungsgemäßen Betrieb elektromagnetische
Strahlung erzeugt,
- die Feinstruktur (3) aus dem Material des
Basiskörpers (1) gebildet ist,
- die ersten Erhebungen (20) Höhen und Breiten von höchstens 5 ym aufweisen,
- die aktive Schicht (10) auf GaAs oder AlGaAs oder
InAlGaAsP basiert und im bestimmungsgemäßen Betrieb Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich mit einer Hauptwellenlänge ( max) von mindestens 950 nm
gemessen im Vakuum erzeugt.
Strahlungskörper (100) nach Anspruch 1, wobei
- die Feinstruktur (3) aus dem Material des
Basiskörpers (1) gebildet ist,
- der Strahlungskörper (100) im bestimmungsgemäßen
Betrieb elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich empfängt,
- die zweiten Erhebungen (30) der Feinstruktur (3)
Höhen von mindestens l/5-Xmax/n haben.
Strahlungskörper (100) nach Anspruch 1, wobei
- die Grobstruktur (2) und/oder die Feinstruktur (3) aus einem von dem Material des Basiskörpers (1) unterschiedlichen Material gebildet sind und - die Brechungsindizes der aneinandergrenzenden
Materialien des Basiskörpers (1) und der Grobstruktur (2) und/oder Feinstruktur (3) um höchstens 0,2 voneinander abweichen.
5. Strahlungskörper (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- die Feinstruktur (3) auf der Grobstruktur (2)
angeordnet ist und sich die zweiten Erhebungen (30) zumindest teilweise von Seitenflächen der ersten Erhebungen (20) aus erheben,
- die ersten Erhebungen (20) sich in Richtung weg von der aktiven Schicht (10) zumindest bereichsweise verbreitern, sodass in diesen verbreiternden Bereichen Spitzen der zweiten Erhebungen (30) in Richtung Hauptseite (11) zeigen.
6. Strahlungskörper (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei die Hauptseite (10) mit der Grobstruktur (2) auf einer der Strahlungsfläche (12) gegenüberliegenden Seite des Strahlungskörpers ausgebildet ist.
7. Strahlungskörper (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei nebeneinander angeordnete erste Erhebungen (20) alternierende Höhen und/oder Breiten mit Abweichungen in den Höhen und/oder Breiten von mindestens 30 % haben .
8. Strahlungskörper (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei auf die Strahlungsfläche (12) eine - 2 \ strahlungsdurchlässige Schicht (5) oder eine
Konverterschicht (4) zur Verschiebung der Wellenlänge der eintreffenden oder ausgekoppelten Strahlung aufgebracht ist, wobei die strahlungsdurchlässige Schicht (5) oder die Konverterschicht (4) die ersten (20) und/oder zweiten Erhebungen (30) vollständig umformt und verkapselt.
Strahlungskörper (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- der Basiskörper (1) auf GaN basiert und
- die Grobstruktur (2) und die Feinstruktur (3) auf Titanoxid basiert.
Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskörpers (100), umfassend die Schritte:
A) Bereitstellen eines Grundkörpers, wobei im bestimmungsgemäßen Betrieb eine in dem Grundkörper erzeugte oder eine auf den Strahlungskörper (100) treffende Strahlung ein globales Maximum der
Strahlungsintensität bei einer Hauptwellenlänge (Amax gemessen im Vakuum aufweist;
B) Aufbringen einer Grobstruktur (2) aus ersten
Erhebungen (20) auf eine Hauptseite (11) des
Grundkörpers ;
C) Ausbilden einer Strahlungsfläche (12) mit einer Feinstruktur (3) aus zweiten Erhebungen (30), wobei über die strukturierte Strahlungsfläche (12) die Strahlung aus dem Strahlungskörper (100) ausgekoppelt oder in den Strahlungskörper (100) eingekoppelt wird; wobei
- die ersten Erhebungen (20) Höhen und Breiten von jeweils mindestens max/n aufweisen, wobei n der Brechungsindex des Materials ist, aus dem die
Strahlung auf die Strahlungsfläche (12) trifft;
- die zweiten Erhebungen (30) jeweils Höhen von
mindestens 0,6-Xmax/n und Breiten von höchstens
Xmax/ (2n) aufweisen, wobei der Abstand zwischen benachbarten zweiten Erhebungen (30) jeweils
höchstens max/ (2n) ist.
Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskörpers (100) nach Anspruch 10, wobei
- der Grundkörper eine Halbleiterschichtenfolge (1) mit einer aktiven Schicht (10) ist, die im
bestimmungsgemäßen Betrieb Strahlung erzeugt oder absorbiert,
- die Grobstruktur (2) und/oder die Feinstruktur (3) in den Grundkörper mittels eines nass- oder
trockenchemischen Ätzverfahrens eingebracht werden.
Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskörpers (100) nach Anspruch 10, wobei
- die Grobstruktur (2) und/oder die Feinstruktur (3) als separate Schicht auf den Grundkörper aufgebracht werden,
- die separate Schicht ein anderes Material als der
Grundkörper aufweist,
- die separate Schicht vor oder nach dem Aufbringen auf den Grundkörper strukturiert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskörpers (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- zur Ausbildung der mit der Feinstruktur (3)
strukturierten Strahlungsfläche (12) zunächst
Hilfsstrukturen (31) periodisch auf die zu strukturierende Oberfläche aufgebracht werden, wobei die Hilfsstrukturen (31) Breiten parallel zur Oberfläche von höchstens max/ (2n) aufweisen,
- anschließend ein gerichtetes oder ungerichtetes
Ätzverfahren die Bereiche der zu strukturierenden Oberfläche zwischen den Hilfsstrukturen (31) stärker wegätzt als die Bereiche unter den Hilfsstrukturen (31) und dadurch jeweils zweite Erhebungen (30) verbleiben .
14. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskörpers (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei
- zur Ausbildung der mit der Feinstruktur (3)
strukturierten Strahlungsfläche (12) ein Ätzverfahren verwendet wird, bei dem aufgrund der auftretenden chemischen Reaktionen während des Ätzverfahrens nichtflüchtige Rückstände auf der zu strukturierenden Oberfläche verbleiben,
- die nichtflüchtigen Rückstände die Hilfsstrukturen (31) bilden.
15. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskörpers (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- zur Ausbildung der mit der Feinstruktur (3)
strukturierten Strahlungsfläche (12) Keimlinge während oder nach dem Wachstum des Grundkörpers auf die zu strukturierende Oberfläche gebracht werden,
- anschließend das Wachstum des Grundkörpers
fortgesetzt wird, wobei sich im Bereich der Keimlinge die zweiten Erhebungen (30) aus dem Material des Grundkörpers bilden.
16. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskörpers (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei zur Ausbildung der mit der Feinstruktur (3) strukturierten Strahlungsfläche (12) ein Stepper- Verfahren verwendet wird.
17. Verfahren zur Herstellung eines Strahlungskörpers (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- zur Ausbildung der mit der Feinstruktur (3)
strukturierten Strahlungsfläche (12)
selbstausrichtende Nanostrukturen (32) auf die zu strukturierende Oberfläche aufgebracht werden,
- der Brechungsindex des Materials der Nanostrukturen (32) um weniger als 0,2 von dem Brechungsindex der zu strukturierenden Oberfläche abweicht.
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