WO2020229576A2 - Beleuchtungseinheit, verfahren zur herstellung einer beleuchtungseinheit, konverterelement für ein opto-elektronisches bauelement, strahlungsquelle mit einer led und einem konverterelement, auskoppelstruktur, und optoelektronische vorrichtung - Google Patents

Beleuchtungseinheit, verfahren zur herstellung einer beleuchtungseinheit, konverterelement für ein opto-elektronisches bauelement, strahlungsquelle mit einer led und einem konverterelement, auskoppelstruktur, und optoelektronische vorrichtung Download PDF

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    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system containing nitrogen

Definitions

  • the invention relates to a lighting unit with at least one optoelectronic emitter unit.
  • the invention also relates to a lighting unit with at least one emitter unit that emits radiation via a light exit surface, and with a polarization element that connects at least in sections to the light exit surface and a polarization and / or an intensity of radiation emitted by the emitter unit upon passage the radiation changes through the polarization element.
  • the invention also relates to a converter element for an optoelectronic component, a radiation source with an LED and a converter element, and a method for producing a corresponding radiation source.
  • the invention also relates to a device, in particular an opto-electronic component, in particular a light-emitting diode.
  • the present invention relates to an optoelectronic device before, in which an arrangement with a plurality of light sources for generating light is provided.
  • Such arrangements can be, for example, pixelated arrays of LEDs in which, for example, one pixel each forms a light source.
  • a lighting unit with an optoelectronic emitter unit that has a desired emission characteristic would be desirable.
  • lighting units are desirable that allow directed radiation in a certain solid angle and suppress radiation in other solid angles as possible.
  • Technical solutions for beam shaping of electromagnetic radiation that has already emerged from the light exit surface of a lighting unit are known from the prior art.
  • optics, in particular lenses are used, by means of which electromagnetic radiation freely propagating in space can be collimated.
  • Such lighting units with optics arranged downstream of a light exit surface can be relatively large. This can be undesirable.
  • the present invention is based on the object of providing a lighting unit which, in particular in comparison to a Lambertian radiator, has an improved radiation characteristic.
  • a lighting unit comprises at least one optoelectronic emitter unit, which emits electromagnetic radiation via a light exit surface, and a photonic structure for beam shaping of the electromagnetic radiation before it emerges via the light exit surface, the photonic structure shaping the electromagnetic radiation in such a way that the electromagnetic radiation has a certain far field.
  • the radiation characteristic of the lighting unit changes from a Lambertian radiator to a defined radiation characteristic in the far field.
  • the wording that the electromagnetic radiation has a certain far field therefore means in particular that the radiation characteristic is defined in the far field and differs from the radiation characteristic of a Lambert radiator.
  • the far field means an area which, depending on the application, is at least a few centimeters or a few meters away from the lighting unit.
  • the photonic structure can, in particular in a layer, be arranged below the light exit surface and / or between the optoelectronic emitter unit and the light exit surface.
  • the photonic structure can thus be integrated into the lighting unit, which means that it can be made compact.
  • the photonic structure can also be integrated into the light exit surface or an end face of the photonic structure can form the light exit surface.
  • the optoelectronic emitter unit can have at least one LED.
  • the optoelectronic emitter unit can also have a field, which is also referred to as an array, of LEDs.
  • the photonic structure can be a photonic crystal, a quasiperiodic or deterministic aperiodic photonic structure.
  • a photonic crystal is understood to be periodic structures that generate a band structure for photons through a periodic variation of the optical refractive index. This band structure can have a band gap in a certain frequency range. Alternatively, this property can also be generated with non-periodic but nevertheless ordered structures. Such structures are in particular quasi-periodic structures or deterministic aperiodic structures. These can be, for example, spiral-shaped photonic arrangements.
  • the photonic structure can be a one-dimensional photonic structure, in particular a one-dimensional photonic crystal.
  • a one-dimensional photonic crystal exhibits a periodic variation of the refractive index along one direction. This direction can in particular run parallel to the light exit plane.
  • the one-dimensional structure allows beam shaping to take place in a first spatial direction.
  • a photonic effect can be achieved in the photonic structure with just a few periods.
  • the photonic structure can be designed, for example, in such a way that the electromagnetic radiation is at least approximately collimated with respect to the first spatial direction. A collimated beam can thus be generated at least with respect to the first spatial direction.
  • a collimating optic can be arranged downstream of the light outlet surface as seen in the emission direction, the Optics are designed to collimate the electromagnetic radiation in a further, second spatial direction, which runs orthogonally to the first spatial direction.
  • the first direction and the second direction can be mutually orthogonal directions that run parallel to the flat light exit surface.
  • a beam collimated in both directions can thus be generated, which is directed along the main emission direction, which is directed away from the light exit surface and runs orthogonally to both the first and second directions.
  • the photonic structure in particular designed as a one-dimensional photonic crystal, can be designed such that a main radiation direction of the electromagnetic radiation runs at an angle to the normal of the light exit surface, the angle not being zero degrees.
  • the main emission direction can thus run inclined to the normal of the light exit surface.
  • a beam collimated in at least one direction can thus emerge from the light exit surface at an angle, for example.
  • the photonic structure formed as a one-dimensional photonic crystal can be arranged in a layer below, in particular directly below, the light exit surface.
  • the one-dimensional photonic crystal can have a periodically repeating sequence of two materials with different optical refractive indices that extends in one direction.
  • the materials can each have a rectangular or parallelogram-like cross section.
  • the adjoining boundary surfaces of the materials can be inclined to the light exit surface.
  • Such a structure can be formed, for example, by trenches running parallel to one another at an angle to the light exit surface in the area having the light exit surface Substrate to be etched.
  • the trenches can be filled with a material that has a different optical refractive index than the substrate material that is etched away.
  • the angle can depend on the incline of the trenches to the light exit surface, and the width of the trenches or the width of the substrate material remaining between the trenches influences the wavelengths on which the photonic structure is effective.
  • the width of the trenches and the width of the substrate material lying between the trenches are adapted to the wavelength of the electromagnetic radiation.
  • the photonic structure can be a two-dimensional photonic structure, in particular a two-dimensional photonic crystal.
  • An end face of the two-dimensional photonic structure can form the light exit surface of the lighting unit, or the two-dimensional photonic structure can be arranged in a layer below the light exit surface.
  • the two-dimensional structure in particular a two-dimensional photonic crystal, can be designed in such a way that it influences the electromagnetic radiation in such a way that the electromagnetic radiation forms a defined, in particular a discrete, pattern in the far field.
  • the lighting unit can thus be used, for example, in surface topography systems, for example for face recognition.
  • the photonic structure can be arranged in a layer below the light exit surface, or an end face of the photonic structure can form the light exit surface, so that the photonic structure is located directly under the light exit surface and also includes it.
  • the photonic structure can also be formed in a semiconductor layer of the optoelectronic emitter unit.
  • the optoelectronic emitter unit can comprise a layer with converter material and the photonic structure can be formed in the layer with converter material or in a layer between the layer with converter material and the light exit surface.
  • the optoelectronic emitter unit can have at least one optoelectronic laser, such as a VCSEL (from English: vertical-cavity surface-emitting laser). A field of several lasers is also conceivable.
  • a VCSEL from English: vertical-cavity surface-emitting laser
  • the invention also relates to a surface topography recognition system with a lighting unit which comprises:
  • the photonic structure being a two-dimensional photonic structure, in particular a two-dimensional photonic crystal, and the two-dimensional photonic structure being designed such that the electromagnetic radiation has a defined, in particular a discrete, pattern generated in the far field, and wherein the surface topography recognition system further comprises a detection unit, in particular with a camera, which is designed to detect the pattern in the far field.
  • the surface topography recognition system can comprise an analysis device which is designed to determine a distortion of the pattern in relation to a predefined reference pattern.
  • the analysis device can be designed to determine a shape and / or a structure of an object illuminated by the pattern as a function of the determined distortion.
  • the invention also relates to a scanner for scanning an object, the scanner having at least one lighting device according to the invention, which can preferably be used for zeilenwei sen detection of the object.
  • a lighting unit can also be regarded as an object to develop a lighting unit in such a way that a polarization and / or a change in the intensity of the radiation emitted by at least one emitter, in particular of visible light, is made possible with relatively simple means. It can be essential here that a corresponding lighting unit should be designed to be as space-saving and energy-efficient as possible, with the need to use additional optical elements in particular to be reduced.
  • Preferred configurations of a lighting device therefore also relate to a lighting unit at least one emitter unit that emits radiation via a light exit surface, and with a polarization element that connects at least in sections to the light exit surface and changes a polarization and / or an intensity of the radiation emitted by the emitter unit when the radiation passes through the polarization element.
  • the lighting unit is characterized in that the polarization element has a three-dimensional photonic structure.
  • the formulation that the polarization element changes polarization also includes the generation of polarized radiation from non-polarized radiation.
  • the polarization element can also only bring about a change in the intensity of the radiation, possibly a wavelength-dependent change, without generating or changing a polarization.
  • the term “polarization element” is therefore not to be interpreted narrowly, in the sense that a change or generation of a polarization must be provided in all embodiments.
  • a lighting unit in which the radiation generated by the emitter, for example an LED, reaches the polarization element directly, so that a particularly compact unit for providing needs-based polarized radiation is realized, which in turn is advantageous Way with at least one further lighting unit and / or one polarization element, preferably with at least one polarization element, which has complementary properties, can be combined.
  • the main advantage of using a three-dimensional photonic structure, in particular a photonic crystal, for a lighting unit for polarizing electromagnetic radiation, preferably with visible light being polarized, is that the arrangement the photonic structure in the area of the light exit surface of the emitter a particularly compact, space-saving solution is provided.
  • the specially designed polarization element adjacent to the light exit surface it is possible to specifically polarize electromagnetic radiation and still minimize the losses of radiation whose polarization does not correspond to the polarization direction of the polarization element.
  • the photonic structure is arranged on the light exit surface, or that a photonic structure is formed in a suitable manner in a semiconductor layer on which the light exit surface is located or to which the light exit surface adjoins in the beam direction .
  • the three-dimensional structures used as polarization elements are particularly effective in changing the radiation characteristics of a lighting unit with regard to their polarization properties, and thus a discrimination of different wavelengths can be achieved through different polarization properties or radiation directions.
  • the emitter unit has at least one LED.
  • the LED preferably emits white, red, green or blue light which is radiated into the polarization element and the polarization element polarizes the radiation in one direction of oscillation.
  • the emitter unit in particular an LED
  • the polarization element are formed from different layers which are arranged one above the other in a layer stack. It is again essential that the radiation generated in at least one layer of the emitter also penetrates layered polarization element arrives before the radiation is emitted from the layer stack into the environment.
  • the three-dimensional structure used as the polarization element is located on or in the same semiconductor chip as the emitter unit.
  • the photonic structure is applied to the LED chip or is at least part of the LED chip.
  • a particularly space-saving and energy-efficient lighting unit is made available with which polarized radiation is already generated directly at the chip level without the need for additional optical elements to be arranged in the downstream beam path.
  • a technical solution of this kind thus represents a cost-effective, space-saving and energy-efficient technical solution for providing polarized radiation.
  • the polarization element has spiral and / or rod-shaped structural elements.
  • the three-dimensional photonic structure is designed in such a way that light emitted by the emitter unit, in particular an LED, only exits the photonic structure with a specific polarization.
  • a corresponding three-dimensional photonic structure with spiral and / or rod-shaped structural elements in the area of the light exit surface is only penetrated by radiation with a special polarization direction.
  • the design and dimensions of the structure are preferably matched to the radiation emitted in each case by the emitter unit, in particular an LED. With a spiral structure, a circular polarization is achieved, while a rod-shaped structure causes a linear polarization of the radiation passing through the structure.
  • the lighting unit has an LED as the emitter unit and that the radiation emitted by the LED strikes a converter element with converter material as excitation radiation, which causes converted radiation to be sent.
  • a three-dimensional photonic structure is arranged in the beam path between the LED and the converter element and / or behind the converter element, by means of which the excitation radiation and / or the converted radiation is polarized in a suitable manner.
  • the combination of converter element and three-dimensional photonic structure in the same layer can also be realized. This enables directly polarized, converted light to be generated.
  • converter material can be filled into the three-dimensional photonic structure.
  • the converter material can be doped with Ce 3+ (Ce for Cer), Eu 2+ (Eu for Europium), Mn 4+ (Mn for Manganese) or neodymium ions.
  • Ce 3+ Ce for Cer
  • Eu 2+ Eu for Europium
  • Mn 4+ Mn for Manganese
  • YAG or LuAG can be used as host material.
  • YAG stands for yttrium aluminum garnet.
  • LuAG stands for lutetium aluminum garnet.
  • Quantum dots can also be filled into the three-dimensional photonic structure as converter material.
  • Quantum dots can be very small, for example in the range of 10 nm. They are therefore particularly suitable for filling the three-dimensional photonic structure.
  • the structure is made by etching out material from the layer in which the structure is to be formed.
  • the recesses formed in this way can then be filled with converter material that contains, for example, quantum dots.
  • the quantum dots can, for example, be introduced into a liquid material with which the recesses are filled.
  • the liquid material can be at least partially evaporated, so that the quantum dots in the Recesses remain. Some of the liquid material can solidify.
  • the quantum dots can therefore be embedded in a matrix.
  • the polarization element has at least one three-dimensional photonic crystal. It is also conceivable that the polarization element has at least two two-dimensional photonic crystals which are arranged one behind the other along a beam path of the radiation penetrating the polarization element.
  • a three-dimensional photonic crystal or at least two two-dimensional photonic crystals arranged one behind the other in the beam path is preferably used so that the structure that the radiation hits is transparent to radiation with a certain wavelength or several special wavelengths and / or only in a certain direction lets through.
  • the desired polarization of the radiation incident on the polarization element can also be set.
  • the property of the three-dimensional photonic structure is preferably designed such that the transmission conditions are different for different wavelengths. In this way it is possible that, for example, converted radiation can pass through the polarization element unhindered while the excitation radiation is deflected.
  • the polarization element has at least two different degrees of transmittance as a function of a wavelength of the radiation which passes through the polarization element.
  • the emitter unit has an LED and a converter element with a converter material that emits converted radiation when excited by the excitation radiation emitted by the LED, and that excitation radiation striking the polarization element when passing through the polarization element in comparison The converted radiation to be passed through is polarized differently and / or absorbed to different degrees.
  • the properties of the three-dimensional photonic structure are thus designed in such a way that the transmission conditions are different for different wavelengths.
  • converted light can pass through the three-dimensional photonic structure unhindered while the excitation radiation is deflected. It is also conceivable that converted radiation emerges from the three-dimensional photonic structure only with a certain polarization.
  • one of the two radiations which have different wavelengths, is discriminated by the different properties of the polarization element with regard to the polarization and direction of propagation. It is therefore preferably provided that in the case of a combination of an LED and a converter element that realizes full conversion, part of the excitation radiation is filtered out except for a comparatively small portion of radiation with a special wavelength, which results in a thinner layer of the Converter material can be used.
  • the advantages of the invention can be used in a particularly advantageous manner, provided that an emitter unit with an LED is provided and the three-dimensional structure of the polarization element is applied directly to the LED chip, preferably to the semiconductor layer of the LED, via which the generated radiation to the light exit surface is applied.
  • the three-dimensional photonic structure is located directly on or in the LED chip.
  • the invention also relates to a method for producing a lighting unit with at least one emitter unit that emits radiation via a light exit surface, and with a polarization element that connects at least in sections to the light exit surface and a polarization and / or an intensity of radiation emanating from the emitter unit changes when the radiation passes through the polarization element.
  • the method is further developed in that a chip with an LED is provided as the emitter unit, on whose light exit surface a three-dimensional photonic structure as a polarization element, for example by means of two-photon lithography or glancing-angle deposition , applied and / or the photonic structure is introduced into a semiconductor layer of the LED adjoining the light exit surface.
  • a chip with an LED is provided as the emitter unit, on whose light exit surface a three-dimensional photonic structure as a polarization element, for example by means of two-photon lithography or glancing-angle deposition , applied and / or the photonic structure is introduced into a semiconductor layer of the LED adjoining the light exit surface.
  • the three-dimensional structure is dimensioned as a function of the wavelength of the radiation emitted by the LED.
  • a lighting unit which is designed according to at least one of the exemplary embodiments based on the invention, can advantageously be used in a device for generating three-dimensional images, in particular for presentation on a display, a monitor or a screen.
  • a lighting unit designed according to the invention can also be used for the computer-aided generation of three-dimensional images.
  • the advantage here is that the lighting unit according to the invention with a three-dimensional photonic structure as the polarization element changes the radiation characteristics of LEDs in relation to the polarization properties and thus a discrimination of different wavelengths based on different, wavelength-specific polarization properties or radiation directions can be achieved.
  • polarized radiation in particular polarized light
  • the selectivity can be improved in the case of full conversion. Due to the emission of specifically polarized radiation, the resolution of three-dimensional representations can be improved and, at the same time, the components or lighting units required for image generation can be reduced. This can be achieved in an advantageous manner in that the light from several components with complementary properties is mapped onto a display or a screen using common optics.
  • Combination of complementary polarization elements are particularly preferred to generate three-dimensional images.
  • a converter element for an optoelectronic component and a radiation source with such a converter element in such a way that a particularly space-saving arrangement of the individual elements and thus a particularly small design of a radiation source, consisting of an emitter for emitting excitation radiation and a converter element. It can be of great importance here that the radiation emitted by the radiation source is specifically radiated into a specific spatial area, while the radiation into other areas is prevented reliably and in a comparatively simple manner. Furthermore, a technical solution may be desirable which is characterized by high energy efficiency and thus by a comparatively good light yield compared to known technical solutions.
  • a radiation source consisting of an emitter for generating excitation radiation and a converter element for generating converted radiation, can be produced simply and inexpensively in terms of manufacturing technology and, in particular, using known manufacturing methods. In this respect, it can be desirable to specify a method for producing a radiation source.
  • the invention also relates to a converter element for an optoelectronic component which has at least one layer with a converter material which, when excited by an incident excitation radiation, emits a converted radiation into an emission area.
  • the converter element is characterized in that the layer has, at least in regions, a structure on which the converter material is arranged at least in sections, and in such a way it is designed that the radiation is emitted as a directed beam of rays into the emission area.
  • An essential feature of the invention is therefore the provision of a layer which is structured in a suitable manner, a converter material which, when excited by excitation or pump radiation, emits converted radiation, is applied in or on the structure.
  • an element By connecting the components of converter material on the one hand and structured layer for targeted radiation guidance and / or shaping on the other, an element is created in a particularly space-saving manner that enables targeted emission of radiation into the radiation area of the radiation source limited to a desired spatial area.
  • the converted radiation emitted by the converter element and the excitation radiation are directed in a suitable manner, so that radiation is only emitted in a certain direction, while such radiation is emitted in other directions and / or areas is excluded.
  • the structure which is also referred to herein as a photonic structure, is coated at least in areas with a suitable converter material and / or at least individual areas, for example depressions in the structure, are filled with the suitable converter material.
  • the structure is designed in such a way that the emitted converted radiation is emitted as a beam in a desired direction of the emission area.
  • the layer due to a suitable structuring of the layer, it is possible to provide a converter element through that the emission profile of an optoelectronic component for which the converter element is used can be changed in such a way that the emission no longer occurs in accordance with Lambert's law, but a beam or a bundle of beams that is specifically directed in one direction is generated.
  • the converter material can be doped with Ce3 + (Ce for Cer), Eu2 + (Eu for Europium), Mn4 + (Mn for Manganese) or neodymium ions.
  • YAG or LuAG for example, can be used as host material.
  • YAG stands for yttrium-aluminum-garnet.
  • LuAG stands for lutetium aluminum garnet.
  • Quantum dots can also be used as converter material. These are very small, for example in the range of 10 nm. They are therefore particularly suitable for filling up the above-mentioned depressions in the photonic structure.
  • the photonic structure is produced by etching out depressions from the layer in which the photonic structure is to be formed.
  • the depressions can then be filled with converter material that contains, for example, quantum dots.
  • the quantum dots can, for example, be introduced into a liquid material with which the depressions are filled.
  • the liquid material can be at least partially evaporated, so that the quantum dots remain in the depressions. Some of the liquid material can solidify.
  • the quantum dots can therefore be embedded in a matrix.
  • the photonic structure does not normally change the spectral properties of a quantum dot.
  • a quantum dot has a narrow-band emission spectrum.
  • the photonic structure can be adapted to this narrow-band emission spectrum, whereby the directional selectivity brought about by the photonic structure can be improved. Means With a photonic structure, the radiation characteristics of quantum dots as converters can thus be influenced very efficiently.
  • the structure has quasi-periodically or deterministically aperiodically arranged structure elements.
  • Such a regular structure offers the advantage that the optical properties of the converter element can be adjusted in a particularly reliable, safe and reproducible manner with a corresponding structured layer.
  • the structure is advantageously designed in such a way that radiation of a specific wavelength or a specific wavelength range can penetrate the layer in a specifically predetermined direction, while this radiation cannot penetrate the layer in other directions.
  • the structured layer can be designed in such a way that it is transparent or non-permeable to radiation of a specific wavelength at least over a large area.
  • the layer has at least one photonic crystal.
  • a suitable photonic crystal By using a suitable photonic crystal, the propagation of radiation of selected wavelengths or wavelength ranges, at least its propagation in a certain direction, can be blocked and a beam or bundle of beams of the converted radiation can be directed into the space or radiation area provided for this purpose .
  • Deterministic aperiodic structures and quasiperiodic structures can have the same functionality as photonic crystals. However, there can be slightly different properties in the far field. If photonic crystals are mentioned here, this should also apply accordingly to deterministic aperiodic structures and / or quasi-periodic structures.
  • a photonic crystal is understood to be periodic structures that generate a band structure for photons through a periodic variation of the optical refractive index.
  • This band structure can have a band gap in a certain frequency range.
  • this property can also be generated with non-periodic but nonetheless ordered structures.
  • Such structures are, in particular, quasi-periodic or deterministic aperiodic photonic structures. These can be spiral arrangements, for example.
  • the structure has at least one depression in which the converter material is located.
  • the structure has a plurality of elevations and depressions, the depressions being at least partially filled with the suitable converter material.
  • a converter element can be implemented in a comparatively simple manner, in which the structure provided according to the invention is combined with the converter material in such a way that the converted radiation is only emitted into a deliberately limited emission area and thus in a particularly targeted manner.
  • the converter element is designed in such a way that the excitation radiation is directed through the structure in a targeted manner onto areas of the converter material provided for this purpose and / or that the converted radiation strikes the structure and thus as a targeted beam of rays is emitted in the desired radiation area.
  • the layer with the structure is advantageously designed in such a way that the layer has at least one optical band gap.
  • the band gap is the area of the layer that has a solid material that lies between the valence band and the conduction band. Because of the band gap, the solid body used for the layer and thus the converter element that is provided with the layer are transparent to radiation in a certain frequency range. By specifically setting the band gap and / or selecting a solid material, the optical properties of the converter element can be specifically set. In particular, it is possible to design the layer in such a way that only part of the incident radiation is passed through the layer and is emitted into the emission area. It is of great advantage if the structure of the layer has an average thickness of at least 500 nm.
  • a photonic structure in particular a photonic crystal, a quasi-periodic structure or a deterministic aperiodic structure, is advantageously selected, which has a layer thickness of at least 500 nm, so that an optical band gap is thereby generated.
  • the layer with the structure is designed in such a way that the directed bundle of rays is emitted perpendicular to a plane in which the layer is arranged.
  • the radiation emitted into the emission region is arranged perpendicular to the layer plane. In contrast, radiation components that are radiated into other spatial areas are reliably suppressed.
  • an optical filter element is arranged at least on one side of the layer.
  • a filter element is preferably designed as a filter layer which is applied flat to the structured layer with the converter material.
  • the filter element in particular the filter layer, is thus preferably designed in such a way that only that portion of radiation can pass through the filter element or the filter layer that is required as excitation radiation or that is to be emitted specifically into the emission area.
  • the invention relates to a radiation source with an LED which radiates excitation radiation into a converter element which is designed according to at least one of the above-described exemplary embodiments of a converter element designed according to the invention.
  • the converter element has at least one layer with a converter material which, when excited by the excitation radiation emitted by the LED, is excited to emit converted radiation into an emission area.
  • an LED is combined with a converter element in such a way that all of the excitation radiation emitted by the LED is converted into converted radiation, or that only part of the excitation radiation emitted by the LED is converted into converted radiation.
  • the radiation source thus generates a directed beam or a directed beam which is emitted in a specifically selected direction or in a specifically selected radiation area.
  • the structured layer with the converter material is part of a semiconductor substrate of the LED.
  • the structure is advantageous here formed in a semiconductor substrate of the LED.
  • the structure is produced by targeted etching of the LED semiconductor substrate and the structure is then at least partially coated with converter material and / or the converter material is filled into recesses in the structure that have been etched out.
  • the structure with the converter material is designed in such a way that the converted radiation is transmitted into the emission region perpendicular to a plane in which the semiconductor substrate is arranged.
  • the structure is designed in such a way that, due to a band gap effect, converted radiation is only emitted into the emission area perpendicular to the surface of the LED chip. Due to this technical solution, a high directionality of the converted radiation emitted by the converter element is achieved.
  • the structure, in particular the photonic structure, for example in the form of a photonic crystal is only arranged in the top layer of the semiconductor material of the LED or also at least partially in the active zone. It is again advantageous if the structure has a layer thickness of at least 500 nm in order to reliably generate an optical band gap.
  • At least one filter layer is provided, which is arranged on at least one side of the structured layer.
  • the excitation radiation generated by the LED is suppressed in certain wavelength ranges with the aid of a filter layer.
  • especially etendue-limited systems, which are based on a full conversion of the excitation radiation, can pass through the directed Radiation generation in the structured layer of the converter element can be made significantly more efficient compared to known technical solutions.
  • the radiation source is designed such that it emits visible white light or visible converted light with the colors characteristic of the RGB color space, namely red, green and blue.
  • the radiation source has an LED or a plurality of LEDs. These can be arranged next to one another in an array-like manner and can be individually controlled.
  • the radiation source can be a pixelated array in which, for example, individual pixels of a larger component can be switched on and off individually.
  • a photonic structure as described herein ben, in combination with very small LEDs, such as the LEDs mentioned above, or with pixelated arrays is advantageous, since classic optics such as lenses can only be used to a very limited extent with small dimensions.
  • the contrast between neighboring pixels can be improved by means of a photonic structure due to the directionality provided thereby.
  • the radiation source can also be designed as a chip-size package.
  • This is particularly a component without a proper housing.
  • the type of optical elements described here is particularly advantageous for such components, since classic lenses cannot be easily mounted on the very compact components or they can significantly enlarge the component.
  • the invention also relates to a method for producing a radiation source which has at least one of the special properties described above.
  • the process is characterized in that the structure is formed by at least one etching step in a semiconductor substrate of the LED. It is advantageous here if the structure, in particular specifically selected recesses in the structure, are at least partially filled with the converter material.
  • decoupling in particular light decoupling
  • a method for producing a device in particular an electronic compo element, in particular an opto-electronic component, in particular a light-emitting diode, is proposed, wherein for generating a, in particular optical, coupling-out structure in a surface area of a semiconductor body providing the device ,
  • Planarization means in particular the formation of a flatness, which can also be referred to as planarity.
  • a device in particular an electronic component, in particular an opto-electronic component, in particular a light-emitting diode, is proposed, whereby a coupling-out structure is obtained in a surface area of a semiconductor body providing the device by structuring the surface area and planarizing the structured surface area a planarized surface of the surface area was generated.
  • a coupling-out structure With a proposed coupling-out structure, light can be emitted from a surface in a direction perpendicular to it.
  • the surface area of the semiconductor body which can also be referred to as a raw chip, can be structured by generating a random topology on the surface area.
  • the random topology can be generated by means of direct roughening of the surface of the surface region of the semiconductor body having a first material.
  • the random topology can be generated by applying a transparent second material, in particular Nb2Ü5, having a large refractive index, in particular greater than 2, to the surface area and roughening the second material.
  • This second material can be applied as a layer to the surface area.
  • the surface area of the semiconductor body can be structured by generating an ordered topology on the surface area.
  • the ordered topology can be generated by applying a transparent second material, in particular Nb2Ü5, with a high refractive index, in particular greater than 2, and structuring periodic photonic crystals or non-periodic photonic structures into this material , in particular quasi-periodic or deterministic aperiodic photonic structures, into the second material are executed.
  • the second material can be applied as a layer.
  • a photonic crystal is understood to be periodic structures that generate a band structure for photons through a periodic variation of the optical refractive index.
  • This band structure can have a band gap in a certain frequency range.
  • this property can also be generated with non-periodic but nonetheless ordered structures.
  • Such structures are, in particular, quasi-periodic or deterministic aperiodic photonic structures. These can be spiral arrangements, for example.
  • the surface area of the semiconductor body can be planarized by applying transparent third material with a low refractive index, in particular less than 1.5, in particular SiO2, to the surface area.
  • the third material can be applied as a layer.
  • SiO2 can be attached as a transparent third material with a low refractive index by means of TEOS (tetraethylorthosilicate).
  • TEOS tetraethylorthosilicate
  • the third material with a low refractive index can be thinned until the surface is flat and / or smooth with the highest elevations in the first material of the semiconductor body or in the second material with a high refractive index.
  • thinning can be carried out by means of chemical-mechanical polishing (CMP).
  • CMP chemical-mechanical polishing
  • the device can be transferred by means of stamp technology.
  • the planarized surface can be flat and / or smooth and have a roughness in the range of less than 20 nanometers, in particular less than 1 nanometer, as the mean roughness value.
  • the coupling-out structure can have a transparent third material with a low refractive index, in particular SiO 2, on a roughened first material of the semiconductor of the component.
  • the coupling-out structure can have a transparent third material with a low refractive index, in particular Si0 2 , on a roughened transparent second material with a high refractive index, in particular Nb 2 0 5 , the second material on a first material of the semiconductor of the Component can be attached.
  • the coupling-out structure can have a transparent third material with a low refractive index, in particular Si0 2 , on a transparent second material with a high refractive index, the second material being attached to a first material of the semiconductor of the component and periodic photonic crystals or non-periodic photonic structures, in particular quasiperiodic or deterministic aperiodic photonic structures.
  • the invention also relates to an optoelectronic device which comprises an arrangement with a plurality of light sources for generating light that emerges from a light exit surface of the optoelectronic device, and also comprises at least one photonic structure between the light exit surface and the plurality of light sources is arranged.
  • the at least one photonic structure which can in particular be a photonic crystal or pillar structures, which are also referred to herein as pillar structures, beam shaping of the emitted light can be effected before the light passes through the device through the light exit surface leaves.
  • the photonic structure can in particular be designed for beam shaping of the light generated by the light sources.
  • the photonic structure can in particular be designed in such a way that the light emerges at least substantially perpendicularly from the light exit surface. The directionality of the emitted light can thus be improved.
  • Photonic crystals are known per se. These are, in particular, periodic structures of the optical refractive index that occur or are created in transparent solids.
  • so-called two-dimensional photonic crystals are relevant here, which have a periodic variation in the optical refractive index in two spatial directions perpendicular to one another, in particular in two spatial directions running parallel to the light exit surface and perpendicular to one another.
  • the arrangement is an array which has a plurality of pixels as light sources, which are arranged in a layer, and a photonic crystal is arranged or formed in the layer.
  • the photonic crystal can thus be arranged directly in the layer in which the pixels of the array are arranged.
  • the photonic crystal can be arranged in the layer above the light sources, so that the photonic crystal is nevertheless located between the light sources and the light exit surface.
  • the layer can have a semiconductor material, and the photonic crystal can be structured in the semiconductor material.
  • GaN or AlInGaP material systems come into question as semiconductor material.
  • GaN stands for gallium nitride
  • AlInGaP stands for aluminum-indium-gallium-phosphide.
  • Examples of other possible material systems are A1N (for aluminum nitride) and InGaAs (for indium gallium arsenide).
  • the photonic crystal can be realized by forming a periodic variation of the optical refractive index in the semiconductor material, a material with a high refractive index, such as Nb 2Ü5 (niobium (V) oxide), being used and appropriately introduced into the semiconductor material can be.
  • the photonic crystal is preferably designed as a two-dimensional photonic crystal which has a periodic variation of the optical refractive index in two mutually perpendicular spatial directions in a plane running parallel to the light exit direction.
  • the arrangement is an array which has a plurality of pixels as light sources, which are arranged in a first layer, and a photonic crystal is net angeord in a further, second layer, the second layer between the first Layer and the light exit surface lies.
  • the photonic crystal can thus be arranged or accommodated in the additional second layer above the layer with the plurality of pixels.
  • the photonic crystal can in turn be designed as a two-dimensional photonic crystal, for example.
  • the photonic crystal can be realized by means of holes or recesses, which are introduced into a material with a high refractive index, for example M0 2 O 5 .
  • the photonic crystal can thus be formed or be formed by forming the corresponding structuring in the material with a high refractive index.
  • the photonic structures can be filled with a material with a low refractive index, for example silicon dioxide.
  • the arrangement can have a plurality of LEDs as light sources, the LEDs being arranged in a first layer, and a photonic crystal being arranged or formed in a further, second layer, the second layer between the first layer and the light exit surface lies.
  • a photonic crystal can be provided in an additional, second layer above the first layer having the LEDs.
  • the water is preferably designed as a two-dimensional photonic crystal and implemented in the form of a periodic variation of the optical refractive index in two spatial directions parallel to the light exit surface and perpendicular to one another.
  • the photonic crystal can be structured by means of holes or recesses in the material with the high refractive index.
  • the photonic structures can be filled with a material with a lower refractive index, for example silicon dioxide.
  • horizontal LEDs are the electrical ones Connections on the back of the LED facing away from the light emission surface.
  • a vertical LED has an electrical connection on the front and an electrical connection on the back of the LED. The front side is facing the light exit surface.
  • the entire array surface can be structured, e.g. in the form of a photonic crystal, in particular without leaving out mesa trenches or contact surfaces.
  • a similar arrangement results for arrangements of horizontal light-emitting diodes under a Trä gersubstrat.
  • both poles in an array or an arrangement of horizontal light-emitting diodes for electrical contacting of the light sources, both poles can be electrically connected by means of a contacting layer that reflects the light generated, the contacting layer being seen from an overhead light exit surface under the photonic structure and the Light sources.
  • the contacting layer can have at least two electrically separated areas in order to avoid a short circuit between the poles.
  • a particularly positive first pole facing away from the light exit surface can be electrically connected to a contacting layer that reflects the light produced, the contacting layer being connected to an overhead
  • the light exit surface is seen from under the photonic structure and the light sources.
  • the respective other, in particular negative, second pole, which faces the light exit surface can be electrically connected by means of a layer of an electrically conductive and optically transparent material, in particular ITO.
  • a filler material can be arranged between the layer and the reflective contact-making layer.
  • each of the light sources can have a recombination zone and the photonic crystal can be so close to the recombination zones that the photonic crystal changes an optical density of states present in the region of the recombination zones, in particular such that a band gap for at least one optical mode is generated with a direction of propagation parallel and / or at a small angle to the light exit surface.
  • the photonic crystal is very close to the recombination zone.
  • the height of the photonic crystal viewed in a direction perpendicular to the light exit surface, is large, in particular equal to or above 300 nm.
  • a directionality for the emitted light can already be achieved in the range of Light generation he aims, because the emission of light with a direction of propagation parallel and / or at a small angle to the light exit surface can be suppressed. The generation of light can then take place exclusively in a limited emission cone perpendicular to the light exit surface.
  • the opening angle of the emission cone is dependent on the photonic crystal and can be a small value, for example a maximum of 20 °, a maximum of 15 °, a maximum of 10 ° or a maximum of 5 °.
  • the photonic crystal can be arranged in relation to a plane running parallel to the light exit surface independently of the positioning of the light points.
  • the photonic crystal can be produced by means of a lithography technique known per se.
  • Possible technologies known per se are, for example, nanoimprint lithography or immersion EUV steppers, where EUV stands for extreme ultraviolet radiation.
  • the photonic structure can comprise a multiplicity of pillar structures which extend at least partially between the light exit surface and the multiplicity of light sources, one pillar in each case being assigned to a light source and aligned with it in a direction perpendicular to the light exit surface.
  • the pillars can also be called pillars.
  • the pilars or pillars have a longitudinal axis which preferably extends perpendicular to the light exit surface. In the case of a cursing alignment of a pill and an associated light source, this means in particular that the elongated longitudinal axis of the pill intersects the center of the light source.
  • the pillars can have a circular, square or polygonal cross section.
  • the pillars preferably have an aspect ratio of height to diameter of at least 3: 1. The height is measured in the direction of the longitudinal axis of the pillars.
  • the pillars are in particular made of a material with a high refractive index, such as KPq2q5. Due to the higher refractive index compared to the surrounding material, the light emission can be in a direction parallel to the longitudinal axis the pillars compared to other spatial directions who increased.
  • the pillars act as waveguides. Light is coupled out along the longitudinal axis of the pillars more efficiently than along other directions of propagation. The directionality in the direction of the longitudinal axis of the light can thus be improved. Since the longitudinal axis of the light preferably runs perpendicular to the light exit surface, an improved light decoupling perpendicular to the light exit surface can also be achieved.
  • the arrangement can be an array which has a plurality of pixels as light sources, which are arranged in a first layer, and the pillars can be arranged in a further, second layer, the second layer being between the first layer and the light exit surface .
  • the pillars can thus be net angeord on the surface of the pixelated array.
  • the pillar or column structures can be made free-standing from a material with a high refractive index.
  • the space between the pillars can be filled with a filler material, e.g. Silicon dioxide, be filled with a low refractive index.
  • the arrangement can have a plurality of LEDs as light sources, which are arranged in a first layer, and the pillars can be arranged or formed in a further, second layer, the second layer being between the first layer and the light exit surface.
  • the arrangement can be an array which has a multiplicity of pixels as light sources which are arranged in a first layer, and the pillars can also be arranged in the first layer.
  • the pillars can be arranged in the first layer in such a way that at least one respective part of a pill is closer to the light exit surface than the light source assigned to the pill.
  • the pillar can thus act as an optical waveguide between the light source and the Acting light exit surface.
  • the pillars can be formed from a semiconductor material of the array provided in the first layer, the semiconductor material having a high refractive index.
  • semiconductor material in the first layer can be removed by etching in such a way that the pillars remain. The free spaces between the pillars can in turn have decayed with a breaking-down material.
  • the arrangement can be an array that has a plurality of pixels, in particular in the form of LEDs, as light sources, the pixels being formed in the pillars.
  • An array can thus be created in such a way that the individual pixels have the shape of pillars.
  • Each pillar is preferably an LED and functions as a single pixel.
  • the length of the pill can correspond to half a wavelength of the emitted light, and the recombination zone of the LED formed by a pillar is preferably in the center of the pill.
  • the recombination zone is therefore in a local maximum of the photonic density of states.
  • the light emission parallel to the longitudinal direction of the pillars can thereby be increased significantly. Due to the waveguide effect, the light with the direction of propagation parallel to the longitudinal axis is additionally coupled out more effectively than light in other directions of propagation.
  • the aspect ratio of height to diameter of a pill is preferably 3: 1.
  • the pillars have a height of approx. 100 nm and a diameter of 30 nm. Upscaled, larger heights or diameters, which are easier to manufacture, are also possible.
  • the space between the pillars having the light sources can be covered with material, for example silicon dioxide, which has a lower refractive index than the semiconductor material for the pillars.
  • a p-contact can be established on the underside of the pill facing away from the light exit surface. For example, an n-contact can be made halfway up the pillars on top of the pillars.
  • the n-contact can be produced via a transparent conductive material, in particular as an intermediate layer in the filler material or as the top layer over the pillars.
  • a transparent conductive material in particular as an intermediate layer in the filler material or as the top layer over the pillars.
  • One possible material for an n-contact layer is, for example, ITO (indium tin oxide).
  • ITO indium tin oxide
  • a reverse arrangement of n and p contacts is also possible.
  • one, in particular positive, first pole can be electrically connected to a reflective contacting layer, which can be formed on and / or along first longitudinal ends of the light-emitting diodes.
  • the respective other, in particular negative, second pole can be electrically connected to a further layer made of an electrically conductive and optically transparent material, in particular ITO.
  • This layer can be arranged as an intermediate layer in the middle of the pillars or pillars or on and / or along second longitudinal ends of the pillars, the two longitudinal ends being opposite the first longitudinal ends.
  • an optoelectronic device for generating an emission of light directed perpendicularly to an emitting surface from a, in particular planar, pixel-having array or from an arrangement of light-emitting diodes, with optically effective structures, in particular nanostructures such as a photonic Crystals or a pillar structure, are structured along the entire emitting surface for the perpendicularly directed emission of light.
  • a method for producing an optoelectronic device for generating an emission of light directed perpendicularly to an emitting surface from a, in particular planar, pixelated array or from an arrangement of light-emitting diodes is proposed, with optical structures along the entire emitting surface Surface can be structured to the perpendicular emission of light.
  • a planar array is called a plane array.
  • a surface of an array or field is also preferably smooth.
  • a pixelated array is in particular a monolithic, pixelated array.
  • All the materials mentioned, in particular the materials in a photonic crystal, a pillar, or the filling materials preferably have a low absorption coefficient.
  • the absorption coefficient is in particular a measure of the reduction in the intensity of electromagnetic radiation when passing through a given material.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a first variant of a lighting unit according to the invention.
  • Fig. 2 shows a sectional view of a second variant of a lighting unit according to the invention.
  • FIG. 3 shows an arrangement of a plurality of lighting units from FIG. 2.
  • Fig. 4 shows a perspective view of a fourth variant of a lighting unit according to the invention.
  • Fig. 5 is a block diagram of a surface topography detection system with a lighting unit from FIG. 4th
  • Fig. 6 shows a lighting unit with an emitter unit that has a light exit surface on which a polarization element with a three-dimensional photonic structure is applied.
  • Fig. 7 shows a representation of a three-dimensional photonic structure with a plurality of spiral-shaped structural elements.
  • Fig. 9 shows a lighting unit with an emitter unit and a three-dimensional photonic structure into which converter material is filled.
  • FIG. 10 shows a plan view and sectional view of a radiation source with an LED and a converter element which is formed by a structured layer filled with converter material, which is only located in the top layer of the LED semiconductor material.
  • FIG. 11 shows a cross section through a radiation source which is structured via an LED, a converter element, which is structured by a Layer which is only located in the top layer of the LED semiconductor material is formed, as well as a filter layer applied to the top layer of the LED semiconductor material.
  • FIG. 12 shows a plan view and sectional view of a radiation source with an LED and a converter element, which is formed by a structured layer filled with converter material, which extends into the active zone of the LED semiconductor material.
  • Fig. 13 shows a cross section through a radiation source which is formed via an LED, a converter element which is formed by a structured layer filled with converter material that extends into the active zone of the LED semiconductor material, and via a top layer of the LED - Has a filter layer applied to the semiconductor material.
  • Fig. 14 shows an embodiment of a proposed device before.
  • 15 shows a further embodiment of a proposed device.
  • 16 shows a further embodiment of a proposed device.
  • Fig. 18b the first proposed device in a cross section.
  • 19a shows a second proposed device in one
  • FIG. 19b the second proposed device in a cross section.
  • Fig. 20a a third proposed device in one
  • FIG. 20b the third proposed device in a cross section.
  • Fig. 21a a fourth proposed device in one
  • Fig. 21b the fourth proposed device in a cross section.
  • Fig. 22a a fifth proposed device in one
  • Fig. 22b the fifth proposed device in a cross section.
  • Fig. 23a a sixth proposed device in one
  • Fig. 23b the sixth proposed device in a cross section.
  • Fig. 24b the seventh proposed device in a cross section.
  • Fig. 25a shows an eighth proposed device in a plan view.
  • Fig. 25b the eighth proposed device in a cross section.
  • Fig. 26a shows a ninth proposed device in one
  • FIG. 26b the ninth proposed device in a cross section.
  • FIG. 27 shows a cross-sectional view of a further variant of a device according to the invention.
  • the lighting unit 11 shown in Fig. 1 comprises at least one optoelectronic emitter unit 13, which is designed to emit electromagnetic radiation 19, such as visible or infrared light of one wavelength, via a light exit surface 15.
  • a photonic structure 17 is provided for beam shaping of the electromagnetic radiation before it emerges via the light exit surface 15.
  • the photonic structure 17 shapes the electromagnetic radiation 19 such that the electromagnetic radiation 19 in the far field 21 has a defined characteristic 23.
  • the photonic structure 17 of the lighting unit 11 of FIG. 1 is a one-dimensional photonic crystal 25.
  • this extends to the light exit surface 15.
  • the end face of the photonic crystal 25 thus forms the light exit surface 15
  • the one-dimensional photonic crystal 25 has a periodic variation of the optical refractive index along a first direction RI.
  • the crystal 25 or the periodic variation are set in such a way that they beam-shape the electromagnetic radiation emitted by a light source (not shown) of the emitter unit.
  • a light source not shown
  • the emitted radiation 19 in the far field 21 has only a slight extent along the first direction RI.
  • Characteristic of the electromagnetic radiation 19 in the far field 21 is with that it forms a narrow strip 27. The electromagnetic radiation 19 is therefore collimated with respect to the first direction 19.
  • the light source is in particular an LED. This is typically a Lambertian radiator.
  • a directed, collimated electromagnetic radiation 19 can be generated.
  • the emitted electromagnetic radiation 19 leaves the emitter unit 13 in the form of a light cone which fades out essentially along a second direction R2.
  • the central axis of the light cone extends along a main emission direction H, which runs perpendicular to the light exit surface 15.
  • a collimating, optional optics arranged downstream of the light exit surface 15, viewed in the main emission direction H.
  • the electromagnetic radiation 19 can be collimated in the second spatial direction R2, which runs orthogonally to the first spatial direction RI.
  • the electromagnetic radiation 19 can thus be collimated in the far field 21 with respect to the two directions RI, R2.
  • a luminous point is created.
  • a lighting device 11 according to FIG. 1 is particularly suitable for use in an optical scanner. Because of the strip-like light image in the far field 21, the lighting device 11 can be used in particular for line scan applications.
  • a one-dimensional photonic crystal 25 is formed on the upper side of the emitter unit 13.
  • the end face of the crystal 25 forms the light exit surface 15 for electromagnetic Radiation which is generated by an optoelectronic light source (not shown), for example an LED, and which is emitted through the photonic crystal 25 via the light exit surface 25.
  • the main emission direction H of the electromagnetic radiation 19 in the lighting unit of FIG. 2 runs at an angle oc to the normal N of the light exit surface 15.
  • the angle oc is not equal to zero degrees.
  • the angle oc can, for example, be in the range between 30 and 60 degrees.
  • the materials 31, 33 have a paral lelogram-like cross-section and abutting boundary surfaces of the materials 31, 33 are not orthogonal, son countries inclined to the light exit surface 15, as shown in Fig. 2 is cally shown.
  • Such a structure can be formed, for example, in that trenches 29 running parallel to one another are etched at an angle to the light exit surface 15 in the substrate 31 facing the light exit surface 15.
  • the trenches 29 can be filled with a material 33 which has a different optical refractive index than the etched away substrate material 33.
  • the angle ⁇ can depend on the incline of the trenches 29 to the light exit surface 15.
  • the width of the trenches 29 and the width of a respective one between two trenches 29 remain; the substrate material 31 has an influence on the wavelengths on which the photonic crystal 25 can affect.
  • the width of the trenches 29 and the width of the substrate material 33 lying between two trenches and thus also the periodicity of the photonic crystal structure 25 are adapted to the wavelength of the electromagnetic radiation, which is provided by the light source or a converter material arranged between the light source and the photonic crystal.
  • the lighting unit 11 of FIG. 2 By means of the one-dimensional photonic crystal 25, the lighting unit 11 of FIG. 2 in turn generate a light strip 27 in the far field 21, as was described with reference to FIG. 1.
  • the main radiation direction H in the variant of FIG. 2 is tilted by the angle oc with respect to the normal N.
  • the strip 27 can be brought into a point or circular structure in the far field 21 by means of a downstream collimation optics.
  • the variant shown in FIG. 3 comprises a line-like or array-like arrangement of several lighting units 11 from FIG. 2.
  • the light beams 19 emitted by the individual lighting units 11 have the same main emission direction H.
  • the light rays 19 can also be collimated by an additional collimating optic 35, in particular a lens, in a second direction which, in the illustration in FIG. 2, runs perpendicular to the image plane. This results in a point or circular image of the emitted radiation 19 in the far field behind the optics 35.
  • the use of a photonic crystal in a lighting device 11 according to FIGS. 2 and 3 results in an effectively higher resolution for a line-like or array-like arrangement of the lighting devices 11 according to FIG. 3.
  • smaller beam cross-sections can be realized, in particular in Far field downstream of the optics 35.
  • the photonic crystals 25 integrated in the lighting devices 11 already cause collimation in the first direction RI (see FIG. 2), the optics 35 and possibly other subsequent optics can be made more compact will.
  • the lighting unit 11 comprises a photonic structure 17, which is a two-dimensional photonic crystal 37, the end face of which forms the light exit surface 15.
  • At least one optoelectronic light source is arranged behind the photonic crystal 37.
  • the photonic crystal 37 is designed to shape the electromagnetic radiation 19 emitted via the light exit surface in such a way that it generates a defined, discrete pattern 39 in the far field 21.
  • the pattern 39 consists of several distributed light points 41, other patterns also being possible.
  • the lighting unit 11 of FIG. 4 is suitable, for example, for use in a surface topography recognition system 43, which is shown by way of example in the block diagram of FIG. 5.
  • the system 43 comprises a detection unit 45 with a camera 47, which is designed to capture the pattern 39 when it illuminates an object (not shown).
  • an analysis device 49 is provided which is designed to determine a distortion of the pattern 39 in relation to a predetermined reference pattern.
  • the reference pattern can for example be determined from the detection of the pattern 39 when it is projected onto a flat surface.
  • the analysis device 49 is also designed to determine a shape and / or a structure of the object illuminated by the pattern 39 in the far field 39 as a function of the determined distortion of the pattern 39.
  • face recognition can thus be implemented.
  • downstream optics for generating patterns can be saved, since the pattern 39 can already be generated by means of the photonic crystal 37.
  • the lighting device 11 according to FIG. 4 and the associated system 43 according to FIG. 5 can therefore be implemented in a particularly compact form.
  • Fig. 6 shows a lighting unit 1 with an emitter unit 2 which has a light exit surface 3 on which a polarization element 4 is applied in the form of a polarization layer with a three-dimensional photonic structure.
  • the emitter unit 2 is an LED 5 which emits light in the visible or possibly also in the ultraviolet wavelength range.
  • the light emitted by the LED 5 is passed into the three-dimensional photonic structure and polarized here in a specific direction of oscillation depending on the design and dimensioning of the structure.
  • a circular or a linear polarization can take place. It is essential that only light with a certain polarization is emitted from the lighting unit 1.
  • the structural elements of the three-dimensional photonic structure are rod-shaped, in particular embodied as so-called nanorods, this brings about a linear polarization of the radiation guided through the three-dimensional photonic structure.
  • the lighting unit 1 shown in FIG. 6 is produced using the two-photon lithography method, des Glancing-Angle-Deposition process, laser interference lithography or holographic structuring.
  • the spiral structure elements 6 shown in FIG. 7 have been produced with the aid of the glancing angle deposition method.
  • a lighting unit 1, as shown in FIG. 6, can advantageously be combined with other lighting units which have complementary properties.
  • lighting units 1 are combined for image generation that have different polarization and / or transmission properties.
  • the radiation that is generated with the aid of several lighting units, each with complementary properties and polarized in different directions of oscillation, is preferably mapped onto a display or a screen using common optics.
  • Such devices can advantageously be used in applications to generate three dimensional images.
  • the three-dimensional photonic structure arranged on the surface or the light exit surface 3 of an LED chip according to FIG. 6, which forms a polarization element 4, it is possible to generate light with fundamentally different properties, in particular with a defined polarization, than is possible with the currently known LEDs.
  • the great advantage here is that, due to the provision of a three-dimensional photonic structure on the chip surface, no additional optical components, such as a classic polarization filter, are required.
  • the lighting unit can therefore be made comparatively small. Due to the structuring directly on the semiconductor chip of the LED 5, such a lighting unit 1 is also ener- More energy efficient than the known lighting units, in which the polarization is subsequently selected.
  • Each of the photons that, due to their properties, do not pass through the three-dimensional photonic structure remains in the LED chip and can be re-emitted through a reabsorption process.
  • Fig. 8 shows a lighting unit 1 with an emitter unit 2, which has a light exit surface 3 on which a polarization element 4 with a three-dimensional photonic structure which has wavelength-selective properties is applied.
  • the photonic structure is designed as a three-dimensional photonic crystal in this case.
  • several two-dimensional photonic crystals can be arranged in layers one above the other.
  • the three-dimensional photonic structure is designed in such a way that it has a wavelength-specific degree of transmission and polarization properties. This means that the degree of transmission and the polarization properties of the three-dimensional photonic structure vary as a function of the wavelength of the incident radiation.
  • the lighting unit 1 shown in FIG. 8 has an emitter unit, which in turn has an LED 5.
  • a converter element 7 with a layer of converter material is also provided.
  • the converter material emits, due to an excitation by the excitation radiation 8 emitted by the LED 5, a converted radiation 9 which has a wavelength that is different from the wavelength of the excitation radiation 8. If both non-converted excitation radiation 8 and also converted radiation 9 strike the three-dimensional photonic structure, these radiations are influenced in different ways depending on their wavelength with regard to transmission and polarization. As can be seen from Fig. 8, the converted radiation 9 is coupled out perpendicular to the surface of the LED chip, while the excitation radiation 8 is deflected laterally.
  • Such lighting units can be used in a preferred manner in components in which radiations with different wavelengths are generated, with different functions being able to be implemented in a combination of LEDs and converter elements.
  • the wavelength of the excitation radiation 8 emitted by an LED it is possible to achieve complete suppression of the excitation radiation 8, while the converted radiation 9 shines through the three-dimensional photonic structure.
  • the excitation radiation 8 is deflected while the converted radiation 9, as shown in FIG. 8, is coupled out perpendicular to the chip surface.
  • the mechanism can also be reversed.
  • the variant of a lighting unit shown in FIG. 9 comprises an emitter unit, here again in the form of an LED 15, as well as a three-dimensional photonic structure 11, for example spiral-shaped,.
  • Converter material 13 is filled into structure 11.
  • Fig. 10 shows, in a plan view and a sectional view, a radiation source 6 with an LED and with a layer 2 which is arranged in a semiconductor substrate 8 of the LED 7 and has a structure 4 with a suitable converter material.
  • the structured layer 2 with the converter material forms a converter element 1, the converter material emitting converted radiation into an emission region 3 of the radiation source 6 when excited by the excitation radiation emitted by the LED 7.
  • the structure 4 provided in the layer 2 with the converter material is designed in such a way that the converted radiation is emitted exclusively as a directed bundle of rays in a certain emission area 3.
  • the converted radiation is emitted perpendicular to a plane in which the LED chip with its semiconductor substrates is located.
  • the structured layer 2 shown in FIG. 10 is a two-dimensional photonic crystal which has been etched into the LED semiconductor substrate.
  • the individual, here rod-shaped recesses of the structure 4 have been filled with the converter material.
  • the layer thickness of the structure 4 is at least 500 nm, so that a band gap is produced in the crystalline solid material, which band gap brings about a directionality of the converted radiation emitted by the converter element 1.
  • Such a photonic structure can significantly increase the directionality and thus also the efficiency, in particular also of etendue-limited systems. Due to the provision of a layer 2 with a corresponding structure 4 and suitable converter material directly on the surface the LED 7 can dispense with the otherwise additionally provided optical elements and thus a comparatively small radiation source can be realized by utilizing the invention.
  • an energetically particularly efficient radiation source is made available, since on the one hand no light is emitted in an unnecessary direction that is not arranged perpendicular to the LED chip surface, and on the other hand all the converted light can be used. Furthermore, modes of the excitation radiation emitted by the LED 7, which are guided in the active zone 9 and have a low extraction efficiency from the LED 7, can also be efficiently converted.
  • Fig. 11 shows the sectional view of a radiation source 6, which, as has been explained in connection with Fig. 10, is executed, but additionally via a filter element 5 applied to the top layer of the radiation source 6 in the form of a filter layer 5, which is opaque to radiation in the selected wavelength range.
  • the filter layer 5 here preferably has the function of a color filter.
  • Such a technical design is particularly suitable for radiation sources 6 in which an LED 7 and a converter element 1 are combined in such a way that the light emitted by the LED 7 is fully converted.
  • a suitably designed filter layer 5 the radiation emitted into the emission region 3 can be adapted to radiation with a desired wavelength can be limited.
  • Such a filter layer 5 can also ensure that excitation radiation emitted by the LED 7, which is not converted into converted radiation by the converter element 1, is prevented from exiting into the emission area 3 with the aid of the filter layer 5, if necessary.
  • FIG. 12 again shows a radiation source 6 which has an LED 7 and a converter element 1 mounted on a semiconductor substrate 8 of the LED 7.
  • the converter element 1 has a layer 2 with converter material and a structure 4 which is placed on a semiconductor substrate 8 of the LED 7.
  • the structured layer 2 is preferably a photonic crystal, a quasi-periodic or deterministically aperiodic photonic structure.
  • the structure 4 of the layer 2 is filled with a suitable converter material.
  • the structured layer 2 is not only arranged in a semiconductor substrate in the upper region of the radiation source 6, but extends into the active zone 9 of the LED 7.
  • a structured layer 2 is again included a layer thickness that is greater than 500 nm is provided and thus creates an optical band gap. In this case too, modes of the excitation radiation emitted by the LED 7, which are guided in the active zone 9 and have a low extraction efficiency from the LED, can be converted efficiently.
  • Fig. 13 shows an embodiment of a radiation source 6, which, as shown in Fig. 12, is executed and additionally via a filter element 5 applied to the top layer of the radiation source 6, which is in the form of a filter layer serving as a color filter , has.
  • a filter element 5 applied to the top layer of the radiation source 6, which is in the form of a filter layer serving as a color filter , has.
  • Such color filters offer the possibility of a full conversion of the excitation radiation emitted by the LED 7 to limit the emission of the converted radiation into the emission area or, in the case of an incomplete conversion, to selectively suppress the emission of non-converted excitation radiation.
  • FIG. 14 shows an embodiment of a proposed device.
  • a semiconductor body having a first material 1 is shown, which can also be referred to as a raw chip and which is formed here as a light-emitting diode.
  • a coupling-out structure A is formed.
  • a planarized surface 7 is formed on an upper surface area 9 of the semiconductor body providing the device.
  • the surface area 9 is structured and then planarized.
  • the semiconductor body can be produced epitaxially in such a way that the surface region 9 was produced facing away from a carrier (not shown).
  • all surface areas of a semiconductor body providing the device can be structured in order to form, in particular optical, coupling-out structures A, and then planarized.
  • Other wavelengths of electromagnetic radiation can also be coupled out with coordinated structuring and planarization.
  • the 14 shows a structuring of the surface region 9 of the semiconductor body, a random topology being generated on the upper surface region 9.
  • the random topology is formed here by means of direct roughening of the first material 1 of the semiconductor body on the surface area 9.
  • Topology here is a spatial structure in particular.
  • the surface area 9 of the semiconductor body is then planarized by applying a transparent third material 5 with a low refractive index, in particular small 1.5. This is followed by a thinning of the attached transparent third material 5 with a low refractive index until the upper surface 7 of the structured surface area 9 is flat and / or smooth with the highest elevations in the first material 1 of the semiconductor body.
  • the third material 5 can be applied as a layer.
  • Thinning can be done by means of chemical mechanical polishing (CMP).
  • CMP chemical mechanical polishing
  • Possible structures embossed in a surface area 9 can be random topologies, such as, for example, roughened surfaces. Random topologies such as roughened surfaces are already used with larger LEDs.
  • a coupling-out of light is improved by a coupling-out structure A with a planarized surface 7.
  • first the first material 1 of the LED semiconductor or LED raw chip, for example, is structured directly.
  • the transparent third material 5 with a low refractive index used for planarization can be Si0 2 , and this can in particular be attached by means of TEOS (tetraethylorthosilicate).
  • the refractive index also the refractive index or optical density, formerly also called the refractive index, is an optical material property. It is the ratio of the wavelength of the light in a vacuum to the wavelength in the material, and thus also the phase velocity of the light in a vacuum to that in the material.
  • the index of refraction is dimensionless, and it is generally from the frequency of the light depends on what is called dispersion. Light is refracted and reflected at the interface between two media with different refractive indices. The medium with the larger refractive index is called the optically denser one.
  • Small refractive indices can in particular be less than 1.5.
  • Other materials that can be used with a low refractive index are, for example, crown glass with a refractive index of, for example, 1.46, PMMA with a refractive index of, for example, 1.49 and quartz glass with a refractive index of, for example, 1.46. These refractive indices result at the wavelength 589 nm of the sodium D-line.
  • a refractive index of silicon dioxide is, for example, 1.458. Other materials can also be used.
  • Fig. 15 shows a second embodiment of a proposed device.
  • a transparent second material 3 with a large refractive index can be applied to the light-emitting diode and structured in a suitable manner to improve the coupling-out of light.
  • a suitable second material 3 with a high refractive index is, for example, Nb205- This alternative is shown in FIGS. 15 and 16.
  • a large refractive index can in particular be greater than 2.
  • Further usable materials with a high refractive index are, for example, zinc sulfide with a refractive index of for example 2.37, diamond with a refractive index of for example 2.42, titanium dioxide with a refractive index of for example 2.52, silicon carbide with a refractive index of for example 2, 65 and titanium dioxide with a refractive index for example 3.10. These refractive indices result in particular at the wavelength 589 nm of the sodium D line.
  • a refractive index of niobium (V) oxide is, for example, 2.3. Other materials can also be used.
  • a coupling-out structure A is formed in a surface region 9 of a semiconductor body providing the device.
  • the surface area 9 is also structured here.
  • the structuring of the surface area 9 takes place as shown in FIG. 14 is also the case, by means of generating a random topology on the surface region 9. While according to FIG. 14 the random topology is generated by means of direct roughening of the surface 7 of the surface region 9 of the semiconductor body having a first material 1, according to FIG. 15 the random topology is formed by, in particular in layers, attaching a transparent second material 3 having a large refractive index, in particular greater than 2, to the surface region 9 and roughening the second material 3.
  • a transparent third material 5 with a low refractive index in particular less than 1.5
  • the third material 5 can be applied as a layer. Thereafter, the attached transparent third material 5 with a low refractive index is thinned until the surface 7 of the structured surface area 9 is flat and / or smooth with the highest elevations in the second material 3 with a high refractive index.
  • the transparent third material 5 with a low refractive index can be Si0 2 , and this is attached in particular by means of TEOS (tetraethylorthosilicate). Thinning can be carried out by chemical mechanical polishing (CMP).
  • FIG. 16 shows an embodiment of a proposed device.
  • ordered topologies can also be generated on the surface area 9.
  • the orderly topology is created here by, in particular in layers, attaching a transparent second material 3, which has a large refractive index, in particular greater than 2, to the surface area 9 and structuring periodic photonic crystals or non-periodic photonic structures, in particular quasiperiodes shear or deterministic aperiodic photonic structures, executed in the second material 3.
  • periodic photonic crystals or non-periodic photonic structures in particular quasiperiodic or deterministic aperiodic photonic structures, can in principle be structured directly into the first material 1 of the semiconductor body without a second material 3.
  • a device with a coupling-out structure A can be formed, with a transparent third material 5 with a low refractive index, in particular SiÜ2, being attached to a first material 1 of a semiconductor of a component and in the first material 1 periodic photonic crystals or non- periodic photonic structures, in particular quasi-periodic or deterministic aperiodic photonic structures, can be incorporated.
  • Photonic crystals consist of structured semiconductors, glasses or polymers and are usually produced using processes known from microelectronics.
  • photonic crystals can be seen as the optical analogue of electronic semiconductors, that is to say as "optical semiconductors”.
  • a transparent third material 5 with a small refractive index, in particular in layers, is attached to the structured surface area 9 for planarization.
  • Si0 2 which is deposited with the help of TEOS (tetraethylorthosilicate), is suitable for this.
  • TEOS tetraethylorthosilicate
  • a process suitable for thinning is chemical-mechanical polishing (CMP), in order to remove layers with thicknesses in the micrometer and nanometer range evenly.
  • CMP chemical-mechanical polishing
  • the surface produced in this way is flat and / or smooth.
  • a roughness is in particular in the range of a few nanometers than the mean roughness value (rms).
  • the generated planarized surface 7 can be used with the conventionally used stamp technology for transferring the light emitting diodes.
  • 17 shows an exemplary embodiment of a proposed method.
  • a surface region 9 of a semiconductor body providing the device is structured in order to form a decoupling structure A.
  • the structured surface area 9 is planarized in order to obtain a planarized surface 7 of the surface area 9.
  • the planarization comprises two substeps.
  • a transparent third material 5 with a small refractive index, in particular less than 1.5, is attached to the structured surface area 9, in particular in layers.
  • a second sub-step S2.2 is used to thin the attached transparent third material 5 with a small amount Refractive index until the surface 7 of the structured Oberflä chen Scheme 9 ends flat and / or smooth with the highest elevations in the first material 1 of the semiconductor body or in the second material 3 with a high refractive index.
  • the device can be transferred by means of stamp technology, the semiconductor body being lifted off the planarized surface 7.
  • GaN, AlInGaP, AlN or InGaAs material systems can be used as semiconductor materials.
  • the device comprises an array 11 having pixels, with optically acting nanostructures in the form of a photonic crystal K over the entire emitting surface of the light exit surface 21.
  • the array 11 also comprises an array-like arrangement of light sources, each of which has a recombination zone 2, which lie in a recombination plane 1.
  • the recombination zones 2 are formed in a first layer of optically active semiconductor material 3 of the array 11.
  • the photonic crystal or the photonic crystal structures K are struc tured, in the form of a two-dimensional photonic crystal.
  • the photonic crystal K lies between the recombination zones 2 and the light exit surface 21.
  • the photonic crystal structures K can be arranged independently of the positioning of individual pixels, with one pixel corresponding to a light source with a recombination zone 2 in the example shown.
  • the optically active photonic crystal structures K are free-standing in air or, as shown, filled with an in particular electrically insulating and optically transparent first filler material 7, in particular Si0 2 , with a refractive index that is smaller than the refractive index of the semiconductor material 3
  • the filling material 7 preferably also has a small absorption coefficient.
  • both electrical poles of a respective light source are electrically connected by means of an optically reflective contacting layer 5 for electrical contacting of the light sources.
  • the contacting layer 5 is located on a side of the optically active semiconductor material 3 facing away from the optically active photonic crystal structures K and is arranged below as shown in FIG. Such contacting enables very highly localized recombination zones 2.
  • the contacting layer 5 can have at least two electrically separated areas in order to be able to connect the poles electrically separated from one another.
  • the photonic crystal K can be structured over the entire emitting surface 21 in such a way that at least approximately only light with a direction of propagation perpendicular to the surface 21 can leave the component. If the photonic crystal K is close to the recombination plane 1 and the layer thickness of the photonic crystal K is large compared to the distance from the recombination zone 2, the optical density of states is also changed in the area of light generation.
  • light can be generated exclusively in a limited emission cone that is predetermined by the photonic crystal K.
  • directionality is already ensured at the level of light generation, which effectively increases the efficiency compared to an angle-selective optical element, since such an element only influences the coupling-out of light.
  • the alignment of the photonic crystal K is independent of the positioning of the individual pixels, in particular such that an alignment of the pixel structure to the photonic structure K is not necessary and an entire wafer surface can be processed.
  • the device is homogeneous in its optical properties over the entire surface of the array 11 or varies only slightly so as not to disturb the optical environment of the photonic crystal K.
  • Fig. 19a and 19b show a second proposed optoelectronic device in a plan view and in cross section, respectively.
  • the photonic crystal K is arranged in a second layer made of a material 9, in particular Nb2Ü5, above a first layer made of the optically active semiconductor material 3.
  • the material 9 has a large optical refractive index, and it is arranged on the flat and / or smooth surface of the semiconductor material 3.
  • the material 9 preferably also has a low absorption.
  • the photonic crystal K can in turn be designed as a free-standing two-dimensional photonic crystal made of the aforementioned material 9, with air then being in the free space. As shown, the free space can again be used with a material 7 with a smaller refractive index.
  • One possible filler material is Si0 2 , for example.
  • the contacting is similar to that according to FIGS. 18a and 18b and enables very strongly localized recombination zones 2.
  • the device shown comprises as light sources an arrangement of vertical light-emitting diodes 13 and a two-dimensional photonic crystal structure K arranged in an overlying layer, which extends under the entire emitting surface 21 and is formed from a material 9 with a high refractive index.
  • the free spaces of the structure K are in turn filled with filler material 7 with a lower optical refractive index.
  • the vertical light-emitting diodes 13 have an upper and a lower electrical contact along a vertically oriented longitudinal axis that runs perpendicular to the light exit surface 21.
  • the light-emitting diodes thus have an electrical contact on the front side and an electrical contact on their rear side.
  • the rear side of the LEDs 13 facing away from the light exit surface 21 is referred to here, while the front side faces the light exit surface 21.
  • the device comprises an electrically conductive and the light it generated contacting layer 5 for making electrical contact with the contacts on the back of the LEDs 13.
  • a third layer is provided for making electrical contact with the contacts on the front side of the LEDs 13 an electrically conductive and optically transparent material 17, for example ITO.
  • An electrical connection to the corresponding pole of a power source can be established via a bonding wire 19.
  • a further, in particular electrically insulating, filler material 15 can be arranged between the third layer and the optically reflective contacting layer 5.
  • Fig. 21a and 21b show a fourth proposed optoelectronic device in a plan view and in cross section.
  • the device comprises an arrangement of horizontal light-emitting diodes (LEDs) 13 with respective recombination zones 2 and an optically effective two-dimensional photonic crystal structure K under the entire emitting surface 21.
  • the photonic crystal structure K lies in a layer made of a material 9 with a high refractive index, for example Nb205 - Free spaces are in turn filled with filler material 7, for example silicon dioxide, with a lower optical refractive index.
  • both electrical contacts are on the rear side of the light-emitting diodes 13. Both poles of the LEDs 13 are electrically connected by means of areas of the optically reflective contacting layer 5 that are electrically separated from one another.
  • an, in particular electrically insulating, filler material 15 is arranged between the material layer 9 and the contacting layer 5.
  • the efficiency with regard to the generation of light can be relatively high in the configurations according to FIGS. 18a to 21b, since in these exemplary embodiments the directionality or directionality of the light generation already occurs
  • Light can be achieved, especially if by means of the band structure of the photonic crystal K, a higher photonic density of states in the region of the recombination zones 2 for the emission of light in the direction perpendicular to the light outlet surface can be achieved.
  • Another advantage can be that the photonic crystal K can be structured homogeneously over an entire wafer. A specific positioning or orientation of the photonic crystal to the individual pixels or light-emitting diodes is not necessary. This can significantly reduce the manufacturing complexity, especially compared to alternative approaches in which structures are placed individually over each pixel.
  • Fig. 22a and 22b show a fifth proposed optoelectronic device in a plan view and in cross section.
  • the device comprises a pixelated array 11 and optically acting pillar structures P, in particular with pillars or columns, which are structured over the entire emitting surface 21.
  • the array 11 is preferably smooth and flat.
  • the pixelated array 11 comprises pixels, each with a light source which comprises a respective recombination zone 2.
  • the recombination zones 2 of the pixels are located in a recombination national level 1 and they are arranged in a first layer with optically active semiconductor material 3.
  • the pillar structures P are formed over this first layer.
  • a pillar P is assigned to a light source, so that each pillar P is arranged directly above the recombination zone 2 of the assigned light source.
  • a longitudinal axis L of a respective pill P runs in particular through the center M of the recombination zone 2 of the assigned light source 2.
  • the pillars P consist of a material 9 with a high refractive index, for example Nb 2 0s.
  • a filler material 7 with a lower refractive index, such as silicon dioxide, can be arranged in the spaces between the pillars P.
  • the pillars P can be arranged above the layer with the light sources, in particular by additionally applying the pillars P above the array 11.
  • the pillars can be etched into the semiconductor material 3.
  • the semiconductor material layer must be designed correspondingly high. Since the semiconductor material normally has a high refractive index, material can be etched away in such a way that the pil lars 9 remain. The areas freed by the etching can be filled with material with a low refractive index.
  • the pillars P act like waveguides which guide light upward in the direction of the longitudinal axis L, so that the pillars P can bring about an improved emission of light in a direction perpendicular to the light exit surface 21.
  • both electrical poles of a light source are electrically connected by means of a reflective contacting layer 5 for electrical contacting of the light sources with the recombination zones 2.
  • the contacting layer 5 is formed on a side of the semiconductor material 3 facing away from the optically acting pillar structures P.
  • the contacting layer 5 can have two separate areas in order to be able to electrically contact the two poles separately from one another. Such a type of contact enables very strongly localized recombination zones 2.
  • the device comprises an arrangement of vertical light-emitting diodes 13, which are also referred to as LEDs.
  • Optically acting pillar structures P in particular with pillars or columns, are arranged above the arrangement with light-emitting diodes 13.
  • the longitudinal axis L of the pillars P runs at least essentially through the center points of the recombination zones 2 of the LEDs 13.
  • the pillar structures P can be arranged free-standing in air or filled with an, in particular electrically insulating and optically transparent, first filling material 7 over the light-emitting diodes.
  • the filling material 7 can have a smaller refractive index than the refractive index of the material 9 of the pillars P and / or of the semiconductor material 3 of the LEDs 3.
  • the LEDs are vertical light-emitting diodes 13. These have an, in particular positive, electrical pole on their rear side facing the reflective contacting layer 5 and a further electrical pole on the front side facing the pillars P.
  • the pole on the front side of the light sources is electrically connected to a corresponding power supply (not shown) by means of a layer of an electrically conductive and optically transparent material 17, in particular ITO, and by means of a contact wire 19.
  • the layer with the material 17 is arranged between the light sources and the pillars 17, as shown.
  • a second filler material 15 can be arranged in free spaces in the layer of the LEDs 13 and thus between the layer with the material 17 and the contacting layer 5.
  • the dimensioning of the pillar structures P can correspond to the dimensioning of the light-emitting diodes 13 or the pixels of an array 11.
  • Fig. 24a and 24b show a seventh proposed optoelectronic device in a plan view and in cross section.
  • the device according to FIGS. 24a and 24b comprises an arrangement of horizontal light-emitting diodes 13, the electrical poles of which are on the rear side of the light-emitting diodes 13.
  • both electrical poles of a light source can therefore be electrically connected via two electrically separated areas of the reflective contacting layer 5.
  • the intermediate layer with the material 17 as in the variant with vertical light-emitting diodes described above is therefore not required.
  • the variants with the Pillars P can be manufactured in a more simple manner using standard technologies, since the structure sizes with diameters of up to 1 ⁇ m or more are significantly larger. As a result, the process requirements are lower and high-resolution lithography can be sufficient to manufacture the pillars.
  • Pillar structures in particular pillars or columns, made of the optically active semiconductor material 3 or a material 9 with the highest possible refractive index can be precisely fitted via individual pixels of the array 11 or via vertical light-emitting diodes 13 (FIGS. 23a and 23b) or via horizontal light-emitting diodes 13 ( 24a and 24b) are structured.
  • the individual pixels or light emitting diodes 13 can be smaller than 1 ⁇ m in diameter, and the pillars can have an aspect ratio height: diameter of at least 3: 1.
  • the pillars are preferably etched directly into the semiconductor material 3, as possible in FIGS. 22a and b and in FIGS. 24a and b, since no third layer 17 is formed in accordance with FIG.
  • a possible material with a high refractive index is, for example, Nb 2 0s.
  • the pillar structures can be macst starting or with a material 7 with a small refractive index ver falls.
  • a possible filler material with a low refractive index is Si0 2 , for example. Due to the larger refractive index of the pillars compared to the surrounding material, the emission is increased parallel to the longitudinal axis of the pillars compared to other spatial directions. Through a waveguide effect, light is coupled out more efficiently along the longitudinal axis of the pillars than light with other directions of propagation. The directionality or directionality of the emitted light can thereby be improved.
  • the device comprises an arrangement of light-emitting diodes 13, each of which is designed as a pillar P and thus in the form of a column.
  • the length of the pillars P can correspond to half a wavelength of the emitted light in the semiconductor material 3 and the recombination zone 2 can preferably lie in the center M of each pillars and thus in a local maximum of the photonic density of states.
  • the aspect ratio height: diameter of the pillars P can be at least 3: 1.
  • the pillars P can be approximately 100 nm high and have a diameter of only approximately 30 nm. This requires a very finely resolved structuring technique and can be implemented with great effort using current manufacturing technologies at wafer level.
  • the dimensions can be scaled up to simplify manufacture, while keeping the directionality of the emitted light decreases with increasing size of the pillars structure.
  • the length of the pillars P is preferably a multiple of half the wavelength of the emitted light in the semiconductor material, and the respective recombination zone 2 can lie in a maximum of the photonic density of states.
  • the emission parallel to the longitudinal axis of the pillars P is effectively amplified by the greater photonic density of states.
  • light with a direction of propagation along the longitudinal axis of the pillars P is additionally coupled out more efficiently than light with other directions of propagation.
  • the intermediate space between the pillars P is covered with a material 7, which preferably has a very small absorption coefficient and a smaller refractive index than the semiconductor material 3.
  • a possible filler material with a low refractive index is, for example, SiO 2 .
  • one, especially positive, first pole is electrically connected by means of a reflective contacting layer 5 to contact recombination zones 2 arranged in a recombination plane 1.
  • the contacting layer 5 is formed on the lower, first longitudinal ends of the light-emitting diodes 13.
  • the respective other, in particular negative, second pole is electrically connected to a third layer of a conductive transparent material 17, in particular ITO, and is connected to the corresponding pole of a power supply by means of a bonding wire 19, for example.
  • the third layer is formed in and along the recombination plane 1 in the longitudinal centers of the light-emitting diodes 13, which are shaped as pillars P or columns.
  • Fig. 26a and 26b show a ninth proposed optoelectronic device in a plan view and in cross section.
  • the device according to FIGS. 26a and 26b has vertical LEDs which are designed as Pillars P.
  • the electrical contact lying below, in particular the p-contact, is produced via the underside of the pillars P and in particular by making contact with the contacting layer 5.
  • the electrical contact on top is on the top of the pillars P.
  • the contact is made via an upper layer with optically transparent and electrically conductive material 17.
  • the upper layer extends over the pillars P and the first filling material 7 with which the free spaces between the pillars P are filled.
  • a possible material 17 for the upper layer is, for example, ITO (indium tin oxide).
  • a connection to a power supply can be established via the bonding wire 19.
  • the electrical contacting of the light-emitting diodes in the pillars P enables very strongly localized recombination zones 2, where the upper contact, in particular an n-contact, can be formed at the level of the recombination zones 2 or on the top of the pillars P.
  • Each pillar P creates an individual pixel.
  • FIG. 27 shows a cross-sectional view of a further optoelectronic device in which a two-dimensional photonic crystal K is arranged over a layer with an array-like arrangement of light sources with recombination zones 2.
  • the photonic crystal K is arranged so close to the recombination zones 2 that the photonic crystal K changes an optical density of states present in the area of the recombination zones 2, in particular in such a way that a band gap for at least one optical mode with a direction of propagation parallel and / or is generated at a small angle to the light exit surface 21 and / or the density of states for at least one optical mode with a direction of propagation perpendicular to the light exit surface 21 is increased.
  • the height H of the photonic crystal K is at least 300 to 500 nm, preferably up to 1 pm.
  • the height H of the photonic crystal may depend on the material with a high refractive index of the photonic crystal.
  • a distance A between the center M of the recombination zones 2 and the underside of the photonic crystal K is preferably at most 1 pm and preferably a few nm.
  • a photonic crystal K it is preferably a two-dimensional photonic crystal which has a periodic variation of the optical refractive index in two mutually perpendicular spatial directions that run parallel to the light exit surface. Furthermore, it is preferably Pillar structures which have an array-like arrangement of pillars P or columns, the longitudinal axis L of the pillars P running perpendicular to the light exit surface 21. Possible fields of application of the devices described here are, for example, in the automotive sector, all types of lighting, entertainment electronics, and video walls.

Abstract

Eine Beleuchtungseinheit umfasst: wenigstens eine optoelektronische Emittereinheit, welche über eine Lichtaustrittsfläche elektromagnetische Strahlung emittiert, und eine photonische Struktur zur Strahlformung der elektromagnetischen Strahlung, bevor diese über die Lichtaustrittsfläche austritt, wobei die photonische Struktur die elektromagnetische Strahlung derart formt, dass die elektromagnetische Strahlung ein bestimmtes Fernfeld aufweist.

Description

BELEUCHTUNGSEINHEIT, VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG
EINER BELEUCHTUNGSEINHEIT, KONVERTERELEMENT FÜR EIN OPTOELEKT RONISCHES BAUELEMENT, STRAHLUNGSQUELLE MIT EINER LED UND EINEM
KONVERTERELEMENT, AUSKOPPELSTRUKTUR, UND
OPTOELEKTRONISCHE VORRICHTUNG
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr. DE 10 2019 112 639.8 vom 14. Mai 2019, die Priorität der deutschen Anmeldung DE 10 2019 112 616.9 vom 14. Mai 2019, die Priorität der deutschen Anmeldung DE 10 2019 115 991.1 vom 12. Juni 2019, die Priorität der deutschen Anmeldung DE 10 2019 116 313.7 vom 14. Juni 2019, die Priorität der deutschen Anmeldung DE 10 2019 118 251.4 vom 05. Juli 2019 und die Priorität der internationalen Anmeldung PCT/EP2020/052191 vom 29. Januar 2020, deren Offenbarungen hiermit durch Rückbezug aufgenommen werden.
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinheit mit wenigstens einer optoelektronischen Emittereinheit.
Die Erfindung betrifft auch eine Beleuchtungseinheit mit we nigstens einer Emittereinheit, die über eine Lichtaustrittsflä che Strahlung emittiert, und mit einem Polarisationselement, das wenigstens abschnittsweise an die Lichtaustrittsfläche an- schließt und eine Polarisation und/oder eine Intensität einer von der Emittereinheit ausgehenden Strahlung bei Durchtritt der Strahlung durch das Polarisationselement ändert.
Die Erfindung betrifft auch ein Konverterelement für ein opto- elektronisches Bauelement, eine Strahlungsquelle mit einer LED und einem Konverterelement sowie ein Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Strahlungsquelle.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, insbesondere ein opto-elektronisches Bauelement, insbesondere eine Leuchtdiode. Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Vor richtung, bei der eine Anordnung mit einer Vielzahl von Licht quellen zur Erzeugung von Licht vorgesehen ist. Derartige An ordnungen können beispielsweise pixelierte Arrays von LEDs sein, bei denen zum Beispiel jeweils ein Pixel eine Lichtquelle bil det .
Als Lichtemitter einer optoelektronischen Emittereinheit kommt insbesondere eine LED in Betracht (LED = light emitting diode) . LEDs sind normalerweise Lambertsche Strahler. Das durch eine Lichtaustrittsfläche abgestrahlte Licht ist nicht gerichtet. Die Lichtabstrahlung erfolgt daher normalerweise in den gesam ten sich der Lichtaustrittsfläche anschließenden Raumwinkelbe reich .
Für viele Anwendungen wäre eine Beleuchtungseinheit mit einer optoelektronischen Emittereinheit wünschenswert, die eine ge wünschte Abstrahlcharakteristik aufweist. Bei sehr kleinen Bau teilen, wie zum Beispiel in hochauflösenden Displays oder in Bauteilen für Anwendungen im Bereich der Unterhaltungselektro nik, sind Beleuchtungseinheiten wünschenswert, die eine gerich tete Abstrahlung in einen bestimmten Raumwinkel erlauben und eine Abstrahlung in andere Raumwinkel möglichst unterdrücken. Aus dem Stand der Technik sind technische Lösungen zur Strahl formung von elektromagnetischer Strahlung bekannt, die bereits aus der Lichtaustrittsfläche einer Beleuchtungseinheit ausge treten ist. Beispielsweise kommen Optiken, insbesondere Linsen, zum Einsatz, mittels denen frei im Raum propagierende elektro- magnetische Strahlung kollimiert werden kann. Derartige Be leuchtungseinheiten mit einer Lichtaustrittsfläche nachgeord- neten Optiken können verhältnismäßig groß sein. Dies kann un erwünscht sein. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinheit bereitzustellen, die, insbesondere im Ver gleich zu einem Lambertschen Strahler, eine verbesserte Ab strahlcharakteristik aufweist.
Eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinheit umfasst wenigstens eine optoelektronische Emittereinheit, welche über eine Licht austrittsfläche elektromagnetische Strahlung emittiert, und eine photonische Struktur zur Strahlformung der elektromagne tischen Strahlung, bevor diese über die Lichtaustrittsfläche austritt, wobei die photonische Struktur die elektromagnetische Strahlung derart formt, dass die elektromagnetische Strahlung ein bestimmtes Fernfeld aufweist.
Durch die photonische Struktur ändert sich somit die Ab strahlcharakteristik der Beleuchtungseinheit von einem Lambert schen Strahler hin zu einer definierten Abstrahlcharakteristik im Fernfeld. Mit der Formulierung, dass die elektromagnetische Strahlung ein bestimmtes Fernfeld aufweist, ist somit insbeson dere gemeint, dass im Fernfeld die Abstrahlcharakteristik de finiert ist und sich von der Abstrahlcharakteristik eines Lam bertschen Strahlers unterscheidet. Mit Fernfeld ist dabei ein Bereich gemeint, welcher sich je nach Anwendung zumindest einige Zentimeter oder auch einige Meter entfernt von der Beleuch tungseinheit befindet.
Die photonische Struktur kann, insbesondere in einer Schicht, unterhalb der Lichtaustrittsfläche und/oder zwischen der opto elektronischen Emittereinheit und der Lichtaustrittsfläche an geordnet sein. Die photonische Struktur kann somit in die Be leuchtungseinheit integriert sein, wodurch sich diese kompakt ausbilden lässt. Die photonische Struktur kann auch in die Lichtaustrittsfläche integriert sein bzw. eine Stirnfläche der photonischen Struktur kann die Lichtaustrittsfläche bilden. Die optoelektronische Emittereinheit kann wenigstens eine LED aufweisen. Die optoelektronische Emittereinheit kann auch ein Feld, das auch als Array bezeichnet wird, von LEDs aufweisen.
Bei der photonischen Struktur kann es sich um einen photonischen Kristall, eine quasiperiodische oder deterministisch aperiodi sche photonische Struktur handeln. Unter einem photonischen Kristall versteht man periodische Strukturen, die durch eine periodische Variation des optischen Brechungsindex eine Band struktur für Photonen erzeugen. Diese Bandstruktur kann eine Bandlücke in einem gewissen Frequenzbereich aufweisen. Diese Eigenschaft kann man alternativ auch mit nicht-periodischen aber trotzdem geordneten Strukturen erzeugen. Bei derartigen Struk turen handelt es sich insbesondere um quasiperiodische Struk turen oder deterministisch aperiodische Strukturen. Dies können zum Beispiel spiralförmige photonische Anordnungen sein.
Bei der photonischen Struktur kann es sich um eine eindimensi onale photonische Struktur, insbesondere einen eindimensionalen photonischen Kristall, handeln. Ein eindimensionaler photoni- scher Kristall weist eine periodische Variation des Brechungs indexes längs einer Richtung auf. Diese Richtung kann insbeson dere parallel zur Lichtaustrittsebene verlaufen.
Durch die eindimensionale Struktur kann eine Strahlformung in einer ersten Raumrichtung erfolgen. Dabei kann ein photonischer Effekt bereits bei wenigen Perioden in der photonischen Struktur erreicht werden. Die photonische Struktur kann zum Beispiel derart ausgebildet sein, dass die elektromagnetische Strahlung in Bezug auf die erste Raumrichtung zumindest näherungsweise kollimiert ist. Somit kann zumindest in Bezug auf die erste Raumrichtung ein kollimierter Strahl erzeugt werden.
In Abstrahlrichtung gesehen nachgeordnet zur Lichtaustrittsflä che kann eine kollimierende Optik angeordnet sein, wobei die Optik dazu ausgebildet ist, die elektromagnetische Strahlung in einer weiteren, zweiten Raumrichtung, welche orthogonal zu der ersten Raumrichtung verläuft, zu kollimieren. Die erste Rich tung und die zweite Richtung können zueinander orthogonale Rich tungen sein, die parallel zur ebenen Lichtaustrittsfläche ver laufen. Es kann somit ein in beiden Richtungen kollimierter Strahl erzeugt werden, der längs der Hauptabstrahlrichtung ge richtet ist, die von der Lichtaustrittsfläche weggerichtet ist und orthogonal sowohl zur ersten als auch zweiten Richtung ver läuft .
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann die, insbesondere als eindimensionaler photonischer Kristall ausgebildete, pho- tonische Struktur derart ausgestaltet sein, dass eine Hauptab strahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung in einem Win kel zur Normalen der Lichtaustrittsfläche verläuft, wobei der Winkel ungleich null Grad ist. Die Hauptabstrahlrichtung kann somit geneigt zur Normalen der Lichtaustrittsfläche verlaufen. Ein wenigstens in einer Richtung kollimierter Strahl kann somit zum Beispiel schräg aus der Lichtaustrittsfläche austreten.
Die als eindimensionaler photonischer Kristall ausgebildete photonische Struktur kann in einer Schicht unterhalb, insbeson dere direkt unterhalb, der Lichtaustrittsfläche angeordnet sein. Der eindimensionale photonische Kristall kann dabei eine sich in einer Richtung erstreckende, periodisch wiederholende Abfolge von zwei Materialen mit unterschiedlichem optischen Brechungsindex aufweisen. Die Materialien können jeweils einen rechteckigen oder parallelogrammartigen Querschnitt aufweisen. Die aneinander anstoßenden Grenzflächen der Materialen können dabei geneigt zur Lichtaustrittsfläche liegen.
Eine derartige Struktur kann beispielsweise gebildet werden, indem parallel zueinander verlaufende Gräben schräg zur Licht austrittsfläche in das die Lichtaustrittsfläche aufweisende Substrat geätzt werden. Die Gräben können mit einem Material aufgefüllt werden, das einen anderen optischen Brechungsindex aufweist als das weggeätzte Substratmaterial. Der Winkel kann dabei von der Schräge der Gräben zur Lichtaustrittsfläche ab- hängen, und die Breite der Gräben bzw. die Breite des zwischen den Gräben verbleibenden Substratmaterials hat Einfluss auf die Wellenlängen, auf welche die photonische Struktur wirksam ist. Typischerweise werden die Breite der Gräben und die Breite des zwischen den Gräben liegenden Substratmaterials an die Wellen länge der elektromagnetischen Strahlung angepasst.
Bei der photonischen Struktur kann es sich um eine zweidimen sionale photonische Struktur, insbesondere einen zweidimensio nalen photonischen Kristall, handeln. Eine Stirnseite der zwei dimensionalen photonischen Struktur kann die Lichtaustrittsflä che der Beleuchtungseinheit bilden, oder die zweidimensionale photonische Struktur kann in einer Schicht unterhalb der Licht austrittsfläche angeordnet sein.
Die zweidimensionale Struktur, insbesondere ein zweidimensio naler photonischer Kristall, kann derart ausgestaltet sein, dass diese die elektromagnetische Strahlung derart beeinflusst, dass die elektromagnetische Strahlung im Fernfeld ein definiertes, insbesondere ein diskretes, Muster bildet. Die Beleuchtungsein heit lässt sich dadurch zum Beispiele- in Oberflächentopographie- Systemen, beispielsweise zur Gesichtserkennung, einsetzen.
Wie erwähnt, kann die photonische Struktur in einer Schicht unterhalb der Lichtaustrittsfläche angeordnet sein, oder eine Stirnseite der photonischen Struktur kann die Lichtaustritts fläche bilden, so dass sich die photonische Struktur direkt unter der Lichtaustrittsfläche befindet und diese mitumfasst.
Die photonische Struktur kann auch in einer Halbleiterschicht der optoelektronischen Emittereinheit ausgebildet sein. Die optoelektronische Emittereinheit kann eine Schicht mit Kon vertermaterial umfassen und die photonische Struktur kann in der Schicht mit Konvertermaterial oder in einer Schicht zwischen der Schicht mit Konvertermaterial und der Lichtaustrittsfläche ausgebildet sein.
Die optoelektronische Emittereinheit kann wenigstens einen optoelektronischen Laser aufweisen, wie etwa einen VCSEL (von englisch: vertical-cavity surface-emitting laser) . Auch ein Feld von mehreren Lasern ist denkbar.
Die Erfindung betrifft auch ein Oberflächentopographie-Erken nungssystem, mit einer Beleuchtungseinheit, die umfasst:
wenigstens eine optoelektronische Emittereinheit, welche über eine Lichtaustrittsfläche elektromagnetische Strahlung emit tiert, und eine photonische Struktur zur Strahlformung der elektromagnetischen Strahlung, bevor diese über die Lichtaus trittsfläche austritt, wobei die photonische Struktur die elekt romagnetische Strahlung derart formt, dass die elektromagneti sche Strahlung ein bestimmtes Fernfeld aufweist, wobei es sich bei der photonischen Struktur um eine zweidimensionale photo nische Struktur, insbesondere einen zweidimensionalen photoni schen Kristall, handelt, und wobei die zweidimensionale photo nische Struktur derart ausgestaltet ist, dass die elektromag netische Strahlung ein definiertes, insbesondere ein diskretes, Muster im Fernfeld erzeugt, und wobei das Oberflächentopogra phie-Erkennungssystem ferner eine Detektionseinheit aufweist, insbesondere mit einer Kamera, die zur Erfassung des Musters im Fernfeld ausgebildet ist.
Das Oberflächentopographie-Erkennungssystem kann eine Analy seeinrichtung umfassen, welche dazu ausgebildet ist, eine Ver zerrung des Musters in Bezug auf ein vorgegebenes Referenzmuster zu ermitteln. Die Analyseeinrichtung kann dazu ausgebildet sein, in Abhängig keit von der ermittelten Verzerrung eine Form und/oder eine Struktur eines von dem Muster ausgeleuchteten Objekts zu be stimmen .
Die Erfindung betrifft auch einen Scanner zum Scannen eines Objekts, wobei der Scanner mindestens eine erfindungsgemäße Be leuchtungseinrichtung aufweist, welche bevorzugt zur zeilenwei sen Erfassung des Objekts einsetzbar ist.
Es kann auch als eine Aufgabe angesehen werden, eine Beleuch tungseinheit derart weiterzubilden, dass mit verhältnismäßig einfachen Mitteln eine Polarisation und/oder eine Änderung der Intensität der von wenigstens einem Emitter ausgesendeten Strah lung, insbesondere von sichtbarem Licht, ermöglicht wird. We sentlich kann hierbei sein, dass eine entsprechende Beleuch tungseinheit möglichst platzsparend und energieeffizient aus geführt sein soll, wobei insbesondere die Notwendigkeit des Einsatzes zusätzlicher optischer Elemente reduziert werden soll .
Es könnte ferner wünschenswert sein, eine einfache, sichere und robuste Beleuchtungseinheit zur Emission von bedarfsgerecht po larisierter elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen, die sich auch ohne große Probleme mit anderen Beleuchtungseinheiten kombinieren lässt. Darüberhinaus sollte die Beleuchtungseinheit in industriellem Maßstab und bevorzugt mit bereits bekannten Herstellungsverfahren zu fertigen sein. Es wäre somit eine tech nische Lösung wünschenswert, die besonders platzsparend ausge führt ist, einen energieeffizienten Betrieb bei hoher Lichtaus beute ermöglicht und sich in einem wirtschaftlich sinnvollen Rahmen hersteilen lässt.
Bevorzugte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Beleuch- tungsenrichtung betriffen daher eine Beleuchtungseinheit mit wenigstens einer Emittereinheit, die über eine Lichtaustritts fläche Strahlung emittiert, und mit einem Polarisationselement, das wenigstens abschnittsweise an die Lichtaustrittsfläche an schließt und eine Polarisation und/oder eine Intensität der von der Emittereinheit ausgehenden Strahlung bei Durchtritt der Strahlung durch das Polarisationselement ändert. Die Beleuch tungseinheit zeichnet sich dadurch aus, dass das Polarisations element eine dreidimensionale photonische Struktur aufweist.
Die Formulierung, dass das Polarisationselement eine Polarisa tion ändert, umfasst auch die Erzeugung von polarisierter Strah lung aus nicht polarisierter Strahlung. Das Polarisationsele ment kann auch nur eine, gegebenenfalls wellenlängenabhängige, Änderung der Intensität der Strahlung bewirken, ohne eine Po larisierung zu erzeugen oder zu ändern. Der Begriff „Polarisa tionselement" ist somit nicht eng auszulegen, in dem Sinne, dass in allen Ausführungsformen eine Änderung bzw. Erzeugung einer Polarisation vorgesehen sein muss.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausführung wird eine Beleuch tungseinheit bereitgestellt, bei der die vom Emitter, beispiels weise einer LED, erzeugte Strahlung direkt in das Polarisati onselement gelangt, sodass eine besonders kompakte Einheit zur Bereitstellung von bedarfsgerecht polarisierter Strahlung rea lisiert wird, die sich wiederum auf vorteilhafte Weise mit we nigstens einer weiteren Beleuchtungseinheit und/oder einem Po larisationselement, bevorzugt mit wenigstens einem Polarisati onselement, das über komplementäre Eigenschaften verfügt, kom binieren lässt.
Der wesentliche Vorteil des Einsatzes einer dreidimensionalen photonischen Struktur, insbesondere eines photonischen Kris talls, für eine Beleuchtungseinheit zur Polarisation einer elektromagnetischen Strahlung, wobei vorzugsweise sichtbares Licht polarisiert wird, besteht darin, dass durch die Anordnung der photonischen Struktur im Bereich der Lichtaustrittsfläche des Emitters eine besonders kompakte, platzsparende Lösung be reitgestellt wird. Mit Hilfe des an die Lichtaustrittsfläche angrenzenden, speziell ausgeführten Polarisationselements ist es möglich, elektromagnetische Strahlung gezielt zu polarisie ren und trotzdem die Verluste von Strahlung, deren Polarisation nicht der Polarisationsrichtung des Polarisationselements ent spricht, zu minimieren. Generell ist es denkbar, dass die pho- tonische Struktur auf der Lichtaustrittsfläche angeordnet ist, oder dass in einer Halbleiterschicht, auf der sich die Licht austrittsfläche befindet bzw. an die sich die Lichtaustritts fläche in Strahlrichtung anschließt, auf geeignete Weise eine photonische Struktur ausgebildet wird.
Hierbei ist es von besonderem Vorteil, dass mit den als Pola risationselement verwendeten dreidimensionalen Strukturen auf besonderes effektive Weise die Abstrahlcharakteristik einer Be leuchtungseinheit bezüglich ihrer Polarisationseigenschaften verändert und so eine Diskriminierung verschiedener Wellenlän gen durch unterschiedliche Polarisationseigenschaften oder Ab strahlrichtungen erzielt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Emitterein heit wenigstens eine LED auf. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass die LED bevorzugt weißes, rotes, grünes oder blaues Licht emittiert, welches in das Polarisationselement eingestrahlt wird und durch das Polarisationselement die Strah lung in einer Schwingungsrichtung polarisiert wird.
Im Übrigen ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorge sehen, dass die Emittereinheit, insbesondere eine LED, sowie das Polarisationselement aus verschiedenen Schichten gebildet werden, die in einem Schichtenstapel übereinander angeordnet sind. Wesentlich ist wiederum, dass die in wenigstens einer Schicht des Emitters erzeugte Strahlung in das ebenfalls schichtförmige Polarisationselement gelangt, bevor die Strah lung aus dem Schichtenstapel in die Umgebung ausgestrahlt wird. Auf vorteilhafte Weise ist es in diesem Zusammenhang denkbar, dass sich die als Polarisationselement verwendete dreidimensi onale Struktur auf oder in dem gleichen Halbleiter-Chip, wie die Emittereinheit befindet. Bei Verwendung einer Emitterein heit mit LED ist es ferner denkbar, dass die photonische Struk tur auf den LED-Chip aufgebracht oder zumindest Teil des LED- Chips ist. Mit einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung wird eine besonders platzsparende und energieeffiziente Beleuch tungseinheit zur Verfügung gestellt, mit der polarisierte Strah lung bereits direkt auf Chipebene erzeugt wird, ohne dass hier für zusätzliche optische Elemente im nachgeordneten Strahlen gang angeordnet werden müssen. Eine derartige technische Lösung stellt somit eine sowohl kostengünstige als auch platzsparende und energieeffiziente technische Lösung zur Bereitstellung von polarisierter Strahlung dar.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verfügt das Polarisationselement über spiral- und/oder stäbchenförmige Strukturelemente. Die dreidimensionale photonische Struktur wird in diesem Fall derart ausgelegt, dass von der Emitterein heit, insbesondere einer LED, ausgesandtes Licht nur mit einer bestimmten Polarisation aus der photonischen Struktur austritt. Eine entsprechende dreidimensionale photonische Struktur mit spiral- und/oder stäbchenförmigen Strukturelementen im Bereich der Lichtaustrittsfläche wird nur von Strahlung mit einer spe ziellen Polarisationsrichtung durchstrahlt. Vorzugsweise wird die Ausgestaltung und Dimensionierung der Struktur auf die je weils von der Emittereinheit, insbesondere einer LED, emittierte Strahlung abgestimmt. Mit einer spiralförmigen Struktur wird eine zirkuläre Polarisation erreicht, während eine stäbchenför mige Struktur eine lineare Polarisation der durch die Struktur tretenden Strahlung bewirkt. Gemäß einer Weiterbildung ist es ferner denkbar, dass die Be leuchtungseinheit als Emittereinheit eine LED aufweist und die von der LED emittierte Strahlung als Anregungsstrahlung auf ein Konverterelement mit Konvertermaterial auftrifft, was die Aus sendung von konvertierter Strahlung bewirkt. In diesem Fall ist es generell denkbar, dass im Strahlengang zwischen der LED und dem Konverterelement und/oder hinter dem Konverterelement eine dreidimensionale photonische Struktur angeordnet ist, durch die die Anregungsstrahlung und/oder die konvertierte Strahlung auf geeignete Weise polarisiert wird. Auch die Kombination von Kon verterelement und dreidimensionaler photonischer Struktur in der gleichen Schicht ist realisierbar. Dadurch kann direkt po larisiertes, konvertiertes Licht erzeugt werden.
Es kann zum Beispiel Konvertermaterial in die dreidimensionale photonische Struktur gefüllt werden. Das Konvertermaterial kann mit Ce3+ (Ce für Cer) , Eu2+ (Eu für Europium) , Mn4+ (Mn für Mangan) oder Neodym-Ionen dotiert sein. Als Wirtsmaterial kann zum Bei spiel YAG oder LuAG verwendet werden. YAG steht hierbei für Yttrium-Aluminium-Granat . LuAG steht für Lutetium-Aluminium- Granat .
Es können auch Quantenpunkte als Konvertermaterial in die drei dimensionale photonische Struktur gefüllt werden.
Quantenpunkte können sehr klein sein, zum Beispiel im Bereich von 10 nm. Sie eignen sich daher besonders gut zum Auffüllen der dreidimensionalen photonischen Struktur. Generell ist es denkbar, dass die Struktur durch Herausätzen von Material aus der Schicht, in welcher die Struktur gebildet werden soll, her gestellt wird. Die so gebildeten Ausnehmungen können sodann mit Konvertermaterial, das zum Beispiel Quantenpunkte enthält, auf gefüllt werden. Die Quantenpunkte können beispielsweise in ein flüssiges Material eingebracht sein, mit welchem die Ausnehmun gen aufgefüllt werden. Das flüssige Material kann zumindest teilweise verdampf werden, so dass die Quantenpunkte in den Ausnehmungen übrigbleiben. Dabei kann sich ein Teil des flüs sigen Materials verfestigen. Die Quantenpunkte können daher in einer Matrix eingebettet sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verfügt das Polarisationselement über wenigstens einen dreidimensionalen photonischen Kristall. Ebenso ist es denkbar, dass das Polari sationselement wenigstens zwei zweidimensionale photonische Kristalle aufweist, die entlang eines Strahlengangs der das Polarisationselement durchdringenden Strahlung hintereinander angeordnet sind.
Vorzugsweise wird ein dreidimensionaler photonischer Kristall oder wenigstens zwei im Strahlengang hintereinander angeordnete zweidimensionale photonische Kristalle verwendet, so dass die Struktur, auf die die Strahlung trifft, für Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge oder mehreren speziellen Wellenlängen transparent ist und/oder diese nur in eine bestimmte Richtung durchlässt. Auf diese Weise lässt sich ebenfalls die gewünschte Polarisation der auf das Polarisationselement auftreffenden Strahlung einstellen. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, die Struktur direkt im Konvertermaterial herzustellen oder in eine zusätzliche Schicht aus einem anderen Material einzubrin gen. Die Eigenschaft der dreidimensionalen photonischen Struk tur wird dabei bevorzugt derart ausgelegt, dass die Transmis sionsbedingungen für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich sind. Auf diese Weise ist es möglich, dass beispielsweise konvertierte Strahlung das Polarisationselement ungehindert passieren kann, während die Anregungsstrahlung abgelenkt wird. Ebenso ist es denkbar, dass zumindest eine der Strahlungen, nämlich Anregungsstrahlung einerseits und konvertierte Strah lung andererseits, nur mit einer bestimmten Polarisation das Polarisationselement durchstrahlt . In einer Ausführungsform der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass das Polarisationselement in Abhängigkeit einer Wellenlänge der Strahlung, die durch das Polarisationselement tritt, we nigstens zwei unterschiedliche Transmissionsgrade aufweist. In diesem Zusammenhang sieht eine spezielle Weiterbildung vor, dass die Emittereinheit eine LED und ein Konverterelement mit einem Konvertermaterial aufweist, welches angeregt durch von der LED abgestrahlte Anregungsstrahlung eine konvertierte Strahlung emittiert, und dass auf das Polarisationselement auftreffende Anregungsstrahlung bei Durchtritt durch das Polarisationsele ment im Vergleich zu durchtretender konvertierter Strahlung an ders polarisiert und/oder unterschiedlich stark absorbiert wird .
Die Eigenschaften der dreidimensionalen photonischen Struktur sind somit derart ausgelegt, dass die Transmissionsbedingungen für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich sind. In diesem Fall ist es etwa denkbar, dass konvertiertes Licht ungehindert die dreidimensionale photonische Struktur passieren kann, wäh rend die Anregungsstrahlung abgelenkt wird. Ebenso ist es denk bar, dass konvertierte Strahlung nur mit einer bestimmten Po larisation aus der dreidimensionalen photonischen Struktur aus- tritt .
Im Weiteren ist es denkbar, dass eine der beiden Strahlungen, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, durch die unter schiedlichen Eigenschaften des Polarisationselements in Bezug auf die Polarisation und Ausbreitungsrichtung diskriminiert wird. Vorzugsweise ist daher vorgesehen, dass bei einer Kombi nation einer LED und einem Konverterelement, durch die eine Vollkonversion realisiert wird, ein Teil der Anregungsstrahlung bis auf einen vergleichsweise kleinen Strahlungsanteil mit ei ner speziellen Wellenlänge herausgefiltert wird, was dazu führt, dass eine dünnere Schicht des Konvertermaterials verwendet wer- den kann. Auf besonders vorteilhafte Weise können die Vorteile der Erfin dung genutzt werden, sofern eine Emittereinheit mit einer LED vorgesehen ist und die dreidimensionale Struktur des Polarisa tionselements direkt auf den LED-Chip, bevorzugt auf die Halb leiterschicht der LED, über die die erzeugte Strahlung zur Lichtaustrittsfläche gelangt, aufgebracht ist. Gemäß dieser Ausführungsform befindet sich die dreidimensionale photonische Struktur direkt auf oder im LED-Chip. Mit einer derartigen tech nischen Lösung kann aufgrund der polarisierten Strahlungsemis sion die Auflösung bei der Erzeugung von Bildern verbessert werden, und Bauteile zur Strahlerzeugung können vergleichsweise klein ausgeführt werden. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die von mehreren Bauteilen bzw. von mehreren Beleuchtungseinheiten mit komplementären Eigenschaften emit tierten Strahlungen über gemeinsame Optiken abgebildet werden. Derart ausgebildete Beleuchtungseinheiten sind somit besonders auf dem Gebiet der Unterhaltungselektronik einsetzbar.
Im Übrigen betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungseinheit mit wenigstens einer Emittereinheit, die über eine Lichtaustrittsfläche Strahlung emittiert, und mit einem Polarisationselement, das wenigstens abschnittsweise an die Lichtaustrittsfläche anschließt und eine Polarisation und/oder eine Intensität einer von der Emittereinheit ausgehen den Strahlung bei Durchtritt der Strahlung durch das Polarisa tionselement ändert.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren dadurch weitergebildet wor den, dass als Emittereinheit ein Chip mit einer LED bereitge stellt wird, auf dessen Lichtaustrittsfläche als Polarisations element eine dreidimensionale photonische Struktur, zum Bei spiel im Wege der Zwei-Photon-Lithographie oder des Glancing- Angle-Deposition, aufgebracht und/oder die photonische Struktur in eine an die Lichtaustrittsfläche anschließende Halbleiter schicht der LED eingebracht wird. Gemäß einer speziellen Weiterbildung des Verfahrens ist vorge sehen, dass die dreidimensionale Struktur in Abhängigkeit der Wellenlänge der von der LED emittierten Strahlung dimensioniert wird .
Auf vorteilhafte Weise lässt sich eine Beleuchtungseinheit, die gemäß wenigstens einer der auf der Erfindung beruhenden Ausfüh rungsbeispiele ausgeführt ist, in einer Vorrichtung zur Erzeu gung dreidimensionaler Bilder, insbesondere für die Darstellung auf einem Display, einem Monitor oder einer Leinwand verwenden.
Auf besonders vorteilhafte Weise lässt sich eine erfindungsge mäß ausgeführte Beleuchtungseinheit darüber hinaus zur compu tergestützten Erzeugung dreidimensionaler Bilder einsetzen. Von Vorteil hierbei ist es, dass die erfindungsgemäße Beleuchtungs einheit mit einer dreidimensionalen photonischen Struktur als Polarisationselement die Abstrahlcharakteristik von LEDs in Be zug auf die Polarisationseigenschaften verändert und so eine Diskriminierung verschiedener Wellenlängen aufgrund unter schiedlicher, wellenlängenspezifischer Polarisationseigen schaften oder Abstrahlrichtungen erzielt werden kann.
Von großem Vorteil hierbei ist es, dass polarisierte Strahlung, insbesondere polarisiertes Licht, direkt auf einem Substrat mit Emittereinheit, insbesondere auf Ebene eines LED-Chips, erzeugt oder die Selektivität bei Vollkonversion verbessert werden kann. Aufgrund der Emission von gezielt polarisierter Strahlung kann die Auflösung von dreidimensionalen Darstellungen verbessert und gleichzeitig die für die Bilderzeugung benötigten Bauteile bzw. Beleuchtungseinheiten verkleinert werden. Dies lässt sich auf vorteilhafte Weise erreichen, indem das Licht mehrerer Bau teile mit komplementären Eigenschaften über gemeinsame Optiken auf einem Display oder einem Schirm abgebildet wird. Insbeson dere auf dem Gebiet der Unterhaltungselektronik können durch Kombination komplementärer Polarisationselemente besonders be vorzugt dreidimensionale Bilder erzeugt werden.
Es kann auch wünschenswert sein, ein Konverterelement für ein optoelektronisches Bauteil sowie eine Strahlungsquelle mit ei nem derartigen Konverterelement derart weiterzubilden, dass eine besonders platzsparende Anordnung der einzelnen Elemente und damit eine besonders kleine Bauform einer Strahlungsquelle, bestehend aus einem Emitter zum Aussenden von Anregungsstrah lung und einem Konverterelement, ermöglicht wird. Hierbei kann es von großer Bedeutung sein, dass die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung gezielt in einen bestimmten Raumbereich abgestrahlt wird, während die Abstrahlung in andere Bereiche zuverlässig und auf vergleichsweise einfache Weise verhindert wird. Des Weiteren kann eine technische Lösung wünschenswert sein, die sich durch eine hohe Energieeffizienz und somit durch eine im Vergleich zu bekannten technischen Lösungen vergleichs weise gute Lichtausbeute auszeichnet.
Ferner kann es wünschenswert sein, dass sich eine Strahlungs quelle, bestehend aus einem Emitter zur Erzeugung einer Anre gungsstrahlung sowie einem Konverterelement zur Erzeugung einer konvertierten Strahlung, fertigungstechnisch einfach und kos tengünstig sowie insbesondere mit bekannten Herstellungsmetho den realisieren lässt. Insofern kann es wünschenswert sein, ein Verfahren zur Herstellung einer Strahlungsquelle anzugeben.
Die Erfindung betrifft auch ein Konverterelement für ein opto elektronisches Bauelement, das wenigstens eine Schicht mit ei nem Konvertermaterial aufweist, welches bei Anregung durch eine auftreffende Anregungsstrahlung eine konvertierte Strahlung in einen Abstrahlbereich emittiert. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Konverterelement dadurch aus, dass die Schicht zumindest bereichsweise eine Struktur, auf der zumindest abschnittsweise das Konvertermaterial angeordnet ist, aufweist und die derart ausgeführt ist, dass die Strahlung als gerichtetes Strahlenbün del in den Abstrahlbereich emittiert wird. Wesentliches Merkmal der Erfindung ist somit das Vorsehen einer Schicht, die auf geeignete Weise strukturiert ist, wobei in oder auf die Struktur ein Konvertermaterial, das bei Anregung durch eine Anregungs oder Pumpstrahlung konvertierte Strahlung emittiert, aufge bracht ist. Durch Verbindung der Komponenten Konvertermaterial einerseits und strukturierte Schicht zur gezielten Strahlfüh rung und/oder -formung andererseits wird auf besonders platz sparende Weise ein Element geschaffen, das eine gezielte, auf einen gewünschten Raumbereich begrenzte Emission von Strahlung in den Abstrahlbereich der Strahlungsquelle ermöglicht. In die sem Zusammenhang ist es sowohl denkbar, dass die vom Konver terelement ausgesandte konvertierte Strahlung als auch die An regungsstrahlung auf geeignete Weise gerichtet wird, sodass Strahlung nur in eine bestimmte Richtung emittiert wird, während die Emission derartiger Strahlung in andere Richtungen und/oder Bereiche ausgeschlossen ist.
Generell ist es denkbar, dass die Struktur, die hierin auch als photonische Struktur bezeichnet wird, zumindest bereichsweise mit einem geeigneten Konvertermaterial beschichtet und/oder zu mindest einzelne Bereiche, beispielsweise Vertiefungen der Struktur, mit dem geeigneten Konvertermaterial aufgefüllt wer den. Die Struktur ist hierbei derart ausgeführt, dass die emit tierte konvertierte Strahlung als Strahlenbündel in eine ge wünschte Richtung des Abstrahlbereichs emittiert wird. In die sem Zusammenhang ist es denkbar, die Struktur auf geeignete Weise derart auszuführen, dass unterschiedliche Bereiche vor handen sind, in die ein Strahlbündel emittiert wird. Auf diese Weise können Konverterelemente bereitgestellt werden, die die Abstrahlcharakteristik eines optoelektronischen Bauelementes, in dem diese verwendet werden, bedarfsgerecht einstellen. Ins besondere ist es aufgrund einer geeigneten Strukturierung der Schicht möglich, ein Konverterelement bereitzustellen, durch das das Emissionsprofil eines optoelektronischen Bauelementes, für das das Konverterelement verwendet wird, derart veränderbar ist, dass die Abstrahlung nicht mehr gemäß dem Lambertschen Gesetz erfolgt, sondern ein gezielt in eine Richtung gelenkter Strahl bzw. ein Strahlenbündel erzeugt wird.
Das Konvertermaterial kann mit Ce3+ (Ce für Cer) , Eu2+ (Eu für Europium) , Mn4+ (Mn für Mangan) oder Neodym-Ionen dotiert sein. Als Wirtsmaterial kann zum Beispiel YAG oder LuAG verwendet werden. YAG steht hierbei für Yttrium-AIuminium-Granat . LuAG steht für Lutetium-Aluminium-Granat .
Als Konvertermaterial kommen auch Quantenpunkte in Frage. Diese sind sehr klein, zum Beispiel im Bereich von 10 nm. Sie eignen sich daher besonders gut zum Auffüllen der vorstehend erwähnten Vertiefungen in der photonischen Struktur. Generell ist es denk bar, dass die photonische Struktur durch Herausätzen von Ver tiefungen aus der Schicht, in welcher die photonische Struktur gebildet werden soll, hergestellt wird. Die Vertiefungen können sodann mit Konvertermaterial, das zum Beispiel Quantenpunkte enthält, aufgefüllt werden. Die Quantenpunkte können beispiels weise in ein flüssiges Material eingebracht sein, mit welchem die Vertiefungen aufgefüllt werden. Das flüssige Material kann zumindest teilweise verdampf werden, so dass die Quantenpunkte in den Vertiefungen übrigbleiben. Dabei kann sich ein Teil des flüssigen Materials verfestigen. Die Quantenpunkte können daher in einer Matrix eingebettet sein.
Die photonische Struktur ändert normalerweise nicht die spekt ralen Eigenschaften eines Quantenpunkts . Allerdings weist ein Quantenpunkt ein schmalbandiges Emissionsspektrum auf. Die pho tonische Struktur kann an dieses schmalbandige Emissionsspekt rum angepasst sein, wodurch die durch die photonische Struktur bewirkte Richtungsselektivität verbessert werden kann. Mittels einer photonischen Struktur kann somit die Abstrahlcharakteris tik von Quantenpunkten als Konverter sehr effizient beeinflusst werden .
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Struktur quasiperiodisch oder deterministisch aperiodisch an geordnete Strukturelemente aufweist. Eine derart regelmäßige Struktur bietet den Vorteil, dass die optischen Eigenschaften des Konverterelementes mit einer entsprechenden strukturierten Schicht besonders zuverlässig, sicher und reproduzierbar ein stellbar sind. Die Struktur ist hierbei auf vorteilhafte Weise derart ausgeführt, dass Strahlung einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs die Schicht in einer gezielt vorgegebenen Richtung durchdringen kann, während diese Strahlung in anderen Richtungen die Schicht nicht durchdringen kann. Alternativ oder ergänzend kann die strukturierte Schicht derart ausgeführt sein, dass sie zumindest über einen großen Bereich für Strahlung einer speziellen Wellenlänge transparent oder nicht durchlässig ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schicht wenigstens einen photonischen Kristall aufweist. Durch Einsatz eines geeigneten photonischen Kristalls kann ge zielt die Ausbreitung von Strahlung ausgewählter Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche, zumindest deren Ausbreitung in einer bestimmten Richtung, blockiert und so ein Strahl oder ein Strah lenbündel der konvertierten Strahlung bedarfsgerecht gerichtet in den hierfür vorgesehenen Raumbereich bzw. Abstrahlbereich ausgestrahlt werden. Deterministische aperiodische Strukturen und quasiperiodische Strukturen können die gleiche Funktiona lität aufweisen wie photonischen Kristalle. Es können allerdings leicht unterschiedliche Eigenschaften im Fernfeld vorliegen. Wenn hierin somit von photonischen Kristallen die Rede ist, soll dies entsprechend auch für deterministische aperiodische Struk turen und/oder quasiperiodische Strukturen gelten. Unter einem photonischen Kristall versteht man periodische Strukturen, die durch eine periodische Variation des optischen Brechungsindex eine Bandstruktur für Photonen erzeugen. Diese Bandstruktur kann eine Bandlücke in einem gewissen Frequenzbe reich aufweisen. Diese Eigenschaft kann man alternativ auch mit nicht-periodischen aber trotzdem geordneten Strukturen erzeu gen. Bei derartigen Strukturen handelt es sich insbesondere um quasiperiodische oder deterministische aperiodische photonische Strukturen. Dies können zum Beispiel spiralförmige Anordnungen sein .
Im Weiteren ist es von Vorteil, wenn die Struktur wenigstens eine Vertiefung aufweist, in der sich das Konvertermaterial befindet. Vorzugsweise ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die Struktur eine Mehrzahl von Erhebungen und Vertiefungen aufweist, wobei die Vertiefungen zumindest teilweise mit dem geeigneten Konvertermaterial befüllt sind. Auf diese Weise lässt sich vergleichsweise einfach ein Konverterelement realisieren, bei dem die erfindungsgemäß vorgesehene Struktur derart mit dem Konvertermaterial kombiniert wird, dass die konvertierte Strah lung nur in einen gezielt begrenzten Abstrahlbereich und somit besonders zielgerichtet abgestrahlt wird. Grundsätzlich ist es in diesem Zusammenhang denkbar, dass das Konverterelement der art ausgeführt wird, dass die Anregungsstrahlung durch die Struktur gezielt auf hierfür vorgesehene Bereiche des Konver termaterials gerichtet wird und/oder dass die konvertierte Strahlung auf die Struktur auftrifft und so als gezielt ausge strahltes Strahlenbündel in den gewünschten Abstrahlbereich ab gestrahlt wird.
Auf vorteilhafte Weise ist die Schicht mit der Struktur so ausgeführt, dass die Schicht über wenigstens eine optische Band lücke verfügt. Als Bandlücke wird in diesem Zusammenhang der Bereich der Schicht, die ein Festkörpermaterial aufweist, ver standen, der zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband liegt. Aufgrund der Bandlücke sind der für die Schicht verwendete Fest körper und damit das Konverterelement, das mit der Schicht ver sehen ist, für Strahlung in einem bestimmten Frequenzbereich transparent. Durch gezielte Einstellung der Bandlücke und/oder Auswahl eines Festkörpermaterials, kann so die optische Eigen schaft des Konverterelementes gezielt eingestellt werden. Ins besondere ist es möglich, die Schicht derart auszuführen, dass nur ein Teil der auftreffenden Strahlung durch die Schicht hin durchgeleitet und in den Abstrahlbereich emittiert wird. Von großem Vorteil ist es, wenn die Struktur der Schicht eine mitt lere Dicke von wenigstens 500 nm aufweist. Auf vorteilhafte Weise wird hierbei eine photonische Struktur, insbesondere ein photonischer Kristall, eine quasiperiodische Struktur oder eine deterministisch aperiodische Struktur, gewählt, die eine Schichtdicke von mindestens 500 nm aufweist, sodass hierdurch eine optische Bandlücke erzeugt wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schicht mit der Struktur derart ausgeführt ist, dass das gerichtete Strahlenbündel senkrecht zu einer Ebene, in der die Schicht angeordnet ist, emittiert wird. Gemäß dieser Ausfüh rungsform ist vorgesehen, dass die in den Abstrahlbereich emit tierte Strahlung senkrecht zur Schichtebene angeordnet ist. Demgegenüber werden Strahlungsanteile, die in andere Raumberei che abgestrahlt werden, zuverlässig unterdrückt.
Im Weiteren stellt es eine vorteilhafte Weiterbildung der Er findung dar, wenn zumindest auf einer Seite der Schicht ein optisches Filterelement angeordnet ist. Vorzugsweise ist ein derartiges Filterelement als Filterschicht ausgeführt, die flä chig auf die strukturierte Schicht mit dem Konvertermaterial aufgebracht ist. Mithilfe eines derartigen Filterelementes bzw. einer derartigen Filterschicht ist es möglich, dass nur ein bestimmter Teil einer Strahlung auf die Schicht mit dem Konver termaterial auftrifft oder aber nur ein bestimmter Teil der von der strukturierten Schicht mit dem Konvertermaterial ausgesand ten konvertierten Strahlung in den gewünschten Raumbereich emit tiert wird.
Das Filterelement, insbesondere die Filterschicht, wird somit vorzugsweise derart ausgeführt, dass lediglich der Anteil einer Strahlung das Filterelement oder die Filterschicht passieren kann, der als Anregungsstrahlung benötigt wird oder der gezielt in den Abstrahlbereich emittiert werden soll.
Im Weiteren betrifft die Erfindung eine Strahlungsquelle mit einer LED, die eine Anregungsstrahlung in ein Konverterelement, das gemäß zumindest eines der zuvor beschriebenen Ausführungs beispiele eines erfindungsgemäß ausgeführten Konverterelementes ausgebildet ist, einstrahlt. Das Konverterelement verfügt wie derum über wenigstens eine Schicht mit einem Konvertermaterial, welches bei Anregung durch die von der LED emittierte Anre gungsstrahlung zur Emission einer konvertierten Strahlung in einen Abstrahlbereich angeregt wird. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass eine LED mit einem Konverterelement derart kombiniert wird, dass die gesamte von der LED emittierte Anre gungsstrahlung in konvertierte Strahlung gewandelt wird oder aber dass lediglich ein Teil der von der LED emittierten Anre gungsstrahlung in konvertierte Strahlung gewandelt wird. We sentlich ist wiederum, dass die in den Abstrahlbereich der Strahlungsquelle emittierte Strahlung nur in einen gewünschten Raumbereich gerichtet ist. Die Strahlungsquelle erzeugt so ei nen gerichteten Strahl oder ein gerichtetes Strahlenbündel, der oder das in eine gezielt ausgewählte Richtung oder in einen gezielt ausgewählten Abstrahlbereich ausgesendet wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die strukturierte Schicht mit dem Konvertermaterial Teil eines Halbleitersub strats der LED. Auf vorteilhafte Weise ist hierbei die Struktur in einem Halbleitersubstrat der LED ausgebildet. In diesem Zu sammenhang ist es weiterhin bevorzugt denkbar, dass die Struktur durch gezieltes Ätzen des LED-Halbleitersubstrats hergestellt wird und die Struktur daraufhin zumindest teilweise mit Konver termaterial beschichtet und/oder das Konvertermaterial in her ausgeätzte Vertiefungen der Struktur eingefüllt wird.
Ferner ist auf vorteilhafte Weise vorgesehen, dass die Struktur mit dem Konvertermaterial derart ausgeführt ist, dass die konvertierte Strahlung senkrecht zu einer Ebene, in der das Halbleitersubstrat angeordnet ist, in den Abstrahlbereich aus gesendet wird. Die Struktur ist hierbei derart ausgeführt, dass konvertierte Strahlung aufgrund eines Bandlückeneffekts nur senkrecht zur Oberfläche des LED-Chips in den Abstrahlbereich abgestrahlt wird. Aufgrund dieser technischen Lösung wird eine hohe Direktionalität der vom Konverterelement emittierten konvertierten Strahlung erreicht. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass die Struktur, insbesondere die photonische Struk tur, beispielsweise in Form eines photonischen Kristalls, nur in der obersten Schicht des Halbleitermaterials der LED oder auch zumindest teilweise in der aktiven Zone angeordnet ist. Von Vorteil ist es wiederum, wenn die Struktur eine Schichtdicke von mindestens 500 nm aufweist, um zuverlässig eine optische Bandlücke zu erzeugen.
In einer speziellen Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumin dest eine Filterschicht vorgesehen ist, die zumindest auf einer Seite der strukturierten Schicht angeordnet ist. In diesem Zu sammenhang ist es wiederum denkbar, dass mithilfe einer Filter schicht die von der LED erzeugte Anregungsstrahlung in bestimm ten Wellenlängenbereichen unterdrückt wird. Auf diese Weise können vor allem Etendue-begrenzte Systeme, die auf einer Voll konversion der Anregungsstrahlung beruhen, durch die gerichtete Strahlungserzeugung in der strukturierten Schicht des Konver terelements gegenüber bekannten technischen Lösungen deutlich effizienter gemacht werden.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Strahlungsquelle derart ausgeführt, dass sie sichtbares weißes Licht oder sicht bares konvertiertes Licht, mit den für den RGB-Farbraum charak teristischen Farben, nämlich Rot, Grün und Blau, emittiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform verfügt die Strahlungs quelle über eine LED oder über eine Mehrzahl von LEDs . Diese können array-artig nebeneinander angeordnet und individuell an steuerbar sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Strahlungsquelle ein pixeliertes Array sein, bei dem zum Beispiel einzelne Pixel eines größeren Bauteils individuell ein- und ausgeschaltet wer den können.
Der Einsatz einer photonischen Struktur, wie hierin beschrie ben, in Kombination mit sehr kleinen LEDs, etwa den vorstehend erwähnten LEDs, oder mit pixelierten Arrays ist vorteilhaft, da klassische Optiken wie Linsen bei kleinen Dimensionen nur sehr eingeschränkt verwendet werden können. Außerdem kann mittels einer photonischen Struktur aufgrund der dadurch bereitgestell ten Direktionalität der Kontrast zwischen benachbarten Pixeln verbessert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Strahlungsquelle auch als ein chip-size Package ausgestaltet sein. Hierbei han delt es sich insbesondere um ein Bauteil ohne richtiges Gehäuse. Für solche Bauteile ist die Art der hierin beschriebenen opti schen Elemente besonders vorteilhaft, da klassische Linsen auf den sehr kompakten Bauteilen nicht gut montiert werden können beziehungsweise das Bauteil deutlich vergrößern. Im Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Her stellung einer Strahlungsquelle, die über zumindest eine der zuvor beschriebenen speziellen Eigenschaften verfügt. Das Ver fahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Struktur durch we nigstens einen Ätzschritt in einem Halbleitersubstrat der LED ausgebildet wird. Von Vorteil ist es hierbei, wenn die Struktur, insbesondere gezielt ausgewählte Ausnehmungen in der Struktur, wenigstens teilweise mit dem Konvertermaterial gefüllt werden.
Es kann ein Bedarf an Strukturen bestehen, mittels denen eine Auskopplung, insbesondere Lichtauskopplung, aus einem Halb leiterkörper bereitgestellt werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, insbesondere eines elektronischen Bauele ments, insbesondere eines opto-elektronischen Bauelements, ins besondere einer Leuchtdiode, vorgeschlagen, wobei zum Erzeugen einer, insbesondere optischen, Auskopplungsstruktur in einem Oberflächenbereich eines die Vorrichtung bereitstellenden Halb leiterkörpers,
ein Strukturieren des Oberflächenbereichs und ein Planarisieren des strukturierten Oberflächenbereichs zum Erhalten einer plan- arisierten Oberfläche des Oberflächenbereichs ausgeführt wer den. Planarisieren bedeutet insbesondere Ausbilden einer Eben heit, die ebenso als Planarität bezeichnet werden kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung, insbesondere ein elektronisches Bauelement, insbesondere ein opto-elektro- nisches Bauelement, insbesondere Leuchtdiode, vorgeschlagen, wobei eine Auskopplungsstruktur in einem Oberflächenbereich ei nes die Vorrichtung bereitstellenden Halbleiterkörpers mittels Strukturierens des Oberflächenbereichs und Planarisierens des strukturierten Oberflächenbereichs zum Erhalten einer planari- sierten Oberfläche des Oberflächenbereichs erzeugt wurde. Mit einer vorgeschlagenen Auskopplungsstruktur kann Licht aus einer Oberfläche zu dieser senkrecht gerichtet ausgesendet wer den .
Gemäß einer vorgeschlagenen Ausführung kann ein Strukturieren des Oberflächenbereichs des Halbleiterkörpers, der ebenso als Rohchip bezeichnet werden kann, mittels Erzeugens einer zufäl ligen Topologie an dem Oberflächenbereich ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorgeschlagenen Ausführung kann ein Erzeu gen der zufälligen Topologie mittels direkten Aufrauens der Oberfläche des Oberflächenbereichs des ein erstes Material auf weisenden Halbleiterkörper ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorgeschlagenen Ausführung kann ein Erzeu gen der zufälligen Topologie mittels Anbringens eines einen großen Brechungsindex, insbesondere größer 2, aufweisenden transparenten zweiten Materials, insbesondere Nb2Ü5, an dem Oberflächenbereich und Aufrauens des zweiten Materials ausge führt werden. Dieses zweite Material kann als Schicht an dem Oberflächenbereich angebracht werden.
Gemäß einer weiteren vorgeschlagenen Ausführung kann ein Struk turieren des Oberflächenbereichs des Halbleiterkörpers , mittels Erzeugens einer geordneten Topologie an dem Oberflächenbereich ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren vorgeschlagenen Ausführung kann ein Erzeu gen der geordneten Topologie mittels Anbringens eines einen hohen Brechungsindex, insbesondere größer 2, aufweisenden transparenten zweiten Materials, insbesondere Nb2Ü5, und in die ses Material erfolgendes Einstrukturierens periodischer photo- nischer Kristalle oder nicht-periodischer photonischer Struk turen, insbesondere quasiperiodischer oder deterministischer aperiodischer photonischer Strukturen, in das zweite Material ausgeführt werden. Das zweite Material kann als Schicht ange bracht werden.
Unter einem photonischen Kristall versteht man periodische Strukturen, die durch eine periodische Variation des optischen Brechungsindex eine Bandstruktur für Photonen erzeugen. Diese Bandstruktur kann eine Bandlücke in einem gewissen Frequenzbe reich aufweisen. Diese Eigenschaft kann man alternativ auch mit nicht-periodischen aber trotzdem geordneten Strukturen erzeu gen. Bei derartigen Strukturen handelt es sich insbesondere um quasiperiodische oder deterministische aperiodische photonische Strukturen. Dies können zum Beispiel spiralförmige Anordnungen sein .
Gemäß einer weiteren vorgeschlagenen Ausführung kann ein Plan- arisieren des Oberflächenbereichs des Halbleiterkörpers mittels Anbringens von transparentem dritten Material mit einem nied rigen Brechungsindex, insbesondere kleiner 1,5, insbesondere SiÜ2, an den Oberflächenbereich ausgeführt werden. Das dritte Material kann als Schicht angebracht werden.
Gemäß einer weiteren vorgeschlagenen Ausführung kann ein An bringen von SiÜ2 als transparentes drittes Material mit niedri gem Brechungsindex mittels TEOS (Tetraethylorthosilicat ) aus geführt werden.
Gemäß einer weiteren vorgeschlagenen Ausführung kann ein Dünnen des dritten Materials mit niedrigem Brechungsindex ausgeführt werden, bis die Oberfläche eben und/oder glatt mit höchsten Erhebungen im ersten Material des Halbleiterkörpers oder im zweiten Material mit hohem Brechungsindex abschließt.
Gemäß einer weiteren vorgeschlagenen Ausführung kann ein Dünnen mittels chemisch-mechanischen Polierens (CMP) ausgeführt wer- den. Gemäß einer weiteren vorgeschlagenen Ausführung kann ein Trans ferieren der Vorrichtung mittels Stempeltechnologie ausgeführt werden .
Gemäß einer weiteren vorgeschlagenen Ausgestaltung kann die planarisierte Oberfläche eben und/oder glatt sein und eine Rau igkeit im Bereich kleiner 20 Nanometer, insbesondere kleiner 1 Nanometer, als Mittelrauwert aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorgeschlagenen Ausgestaltung kann die Auskopplungsstruktur ein transparentes drittes Material mit kleinem Brechungsindex, insbesondere Si02, an einem aufgerauten ersten Material des Halbleiters des Bauelements aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorgeschlagenen Ausgestaltung kann die Auskopplungsstruktur ein transparentes drittes Material mit kleinem Brechungsindex, insbesondere Si02, an einem aufgerauten transparenten zweiten Material mit großem Brechungsindex, ins besondere Nb205, aufweisen, wobei das zweite Material an einem ersten Material des Halbleiters des Bauelements angebracht sein kann .
Gemäß einer weiteren vorgeschlagenen Ausgestaltung kann die Auskopplungsstruktur ein transparentes drittes Material mit kleinem Brechungsindex, insbesondere Si02, an einem transparen ten zweiten Material mit großem Brechungsindex aufweisen, wobei das zweite Material an einem ersten Material des Halbleiters des Bauelements angebracht ist und periodische photonische Kris talle oder nicht-periodische photonische Strukturen, insbeson dere quasiperiodische oder deterministische aperiodische pho tonische Strukturen aufweisen kann.
Es kann auch wünschenswert sein, eine verbesserte optoelektro nische Vorrichtung bereitzustellen, die Licht zumindest im We sentlich senkrecht zu einer emittierenden Oberfläche abstrahlt. Die Erfindung betrifft auch eine optoelektronische Vorrichtung, die eine Anordnung mit einer Vielzahl von Lichtquellen zur Er zeugung von Licht umfasst, das aus einer Lichtaustrittsfläche aus der optoelektronischen Vorrichtung austritt, und außerdem wenigstens eine photonische Struktur umfasst, die zwischen der Lichtaustrittsfläche und der Vielzahl der Lichtquellen angeord net ist.
Mittels der wenigstens einen photonischen Struktur, bei der es sich insbesondere um einen photonischen Kristall oder um Pil- larstrukturen, die hierin auch als Säulenstrukturen bezeichnet werden, handeln kann, kann eine Strahlformung des emittierten Lichts bewirkt werden, bevor das Licht die Vorrichtung durch die Lichtaustrittsfläche verlässt.
Die photonische Struktur kann insbesondere zur Strahlformung des von den Lichtquellen erzeugten Lichts ausgebildet sein. Die photonische Struktur kann dabei insbesondere derart ausgebildet sein, dass das Licht zumindest im Wesentlichen senkrecht aus der Lichtaustrittsfläche austritt. Die Direktionalität des emittierten Lichts kann somit verbessert werden.
Photonische Kristalle sind an sich bekannt. Hierbei handelt es sich insbesondere um in transparenten Festkörpern vorkommende oder geschaffene periodische Strukturen des optischen Bre chungsindex. Insbesondere sind hierin sogenannte zweidimensio nale photonische Kristalle relevant, die eine periodische Va riation des optischen Brechungsindex in zwei zueinander senk rechten Raumrichtungen aufweisen, insbesondere in zwei parallel zur Lichtaustrittsfläche verlaufenden und zueinander senkrech ten Raumrichtungen.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Anordnung ein Array, das als Lichtquellen eine Vielzahl von Pixeln aufweist, die in einer Schicht angeordnet sind, und ein photonischer Kris tall ist in der Schicht angeordnet oder ausgebildet. Der pho- tonische Kristall kann somit direkt in der Schicht angeordnet sein, in welcher die Pixel des Arrays angeordnet sind. Dabei kann der photonische Kristall in der Schicht oberhalb der Licht quellen angeordnet sein, so dass sich der photonische Kristall dennoch zwischen den Lichtquellen und der Lichtaustrittsfläche befindet .
Insbesondere kann die Schicht ein Halbleitermaterial aufweisen, und der photonische Kristall kann in dem Halbleitermaterial strukturiert sein. Als Halbleitermaterial kommen hierbei bei spielsweise GaN- oder AlInGaP-Materialsysteme in Frage. GaN steht hierbei für Galliumnitrid und AlInGaP steht hierbei für Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid . Beispiele für andere mögli che Materialsysteme sind A1N (für Aluminiumnitrid) und InGaAs (für Indium-Gallium-Arsenid) .
Der photonische Kristall kann durch Ausbilden einer periodischen Variation des optischen Brechungsindex in dem Halbleitermate rial realisiert werden, wobei hierzu ein Material mit hohem Brechungsindex, wie zum Beispiel Nb2Ü5 (Niob- (V) -Oxid) , verwen det und in das Halbleitermaterial entsprechend eingebracht wer den kann. Der photonische Kristall wird hierbei bevorzugt als zweidimensionaler photonischer Kristall ausgebildet, welcher in einer parallel zur Lichtaustrittsrichtung verlaufenden Ebene in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen eine periodische Va riation des optischen Brechungsindex aufweist.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Anordnung ein Array, das als Lichtquellen eine Vielzahl von Pixeln aufweist, die in einer ersten Schicht angeordnet sind, und ein photoni scher Kristall ist in einer weiteren, zweiten Schicht angeord net, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und der Lichtaustrittsfläche liegt. Der photonische Kristall kann somit in der zusätzlichen zweiten Schicht über der Schicht mit der Vielzahl von Pixeln angeordnet oder untergebracht sein.
Der photonische Kristall kann hierbei wiederum zum Beispiel als zweidimensionaler photonischer Kristall ausgebildet sein. Der photonische Kristall kann mittels Löcher bzw. Ausnehmungen re alisiert sein, die in ein Material mit hohem Brechungsindex, zum Beispiel M02O5, eingebracht sind. Der photonische Kristall kann somit durch Ausbildung der entsprechenden Strukturierung in dem Material mit hohem Brechungsindex gebildet werden bzw. gebildet sein. Die photonischen Strukturen können mit einem Material mit niedrigem Brechungsindex, beispielsweise Silizi umdioxid, verfüllt sein.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Anordnung als Lichtquellen eine Vielzahl von LEDs aufweisen, wobei die LEDs in einer ersten Schicht angeordnet sind, und ein photonischer Kristall ist in einer weiteren, zweiten Schicht angeordnet oder ausgebildet, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und der Lichtaustrittsfläche liegt. In Kombination mit einer insbesondere arrayartigen Anordnung von LEDs kann in einer zusätzlichen, zweiten Schicht über der die LEDs aufweisenden ersten Schicht ein photonischer Kristall vorgesehen sein. Die ser ist bevorzugt als zweidimensionaler photonischer Kristall ausgebildet und in Form einer periodischen Variation des opti schen Brechungsindex in zwei parallel zur Lichtaustrittsfläche und senkrecht zueinander verlaufenden Raumrichtungen reali siert. Als Beispiel für ein Material mit hohem Brechungsindex kann hier wiederum M02O5 genannt werden, und der photonische Kristall kann mittels Löcher bzw. Ausnehmungen in dem Material mit dem hohen Brechungsindex strukturiert sein. Die photonischen Strukturen können mit einem Material mit niedrigerem Brechungs index, beispielsweise Siliziumdioxid, verfüllt sein.
Bei LEDs kann zwischen horizontalen und vertikalen LEDs unter schieden werden. Bei horizontalen LEDs liegen die elektrischen Anschlüsse auf der von der Lichtaustrittsfläche abgewandten Rückseite der LED. Im Gegensatz dazu liegt bei einer vertikalen LED jeweils ein elektrischer Anschluss auf der Vorderseite und ein elektrischer Anschluss auf der Rückseite der LED. Die Vor derseite ist dabei der Lichtaustrittsfläche zugewandt.
Bei pixelierten Arrays, bei denen die elektrischen Kontakte beider Polaritäten auf der Rückseite liegen, kann die gesamte Arrayoberfläche strukturiert werden, z.B. in Form eines photo- nischen Kristalls, insbesondere ohne dabei Mesa-gräben oder Kontaktflächen auszusparen. Eine ähnliche Anordnung ergibt sich für Anordnungen von horizontalen Leuchtdioden unter einem Trä gersubstrat .
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung können bei einem Array oder einer Anordnung von horizontalen Leuchtdioden zur elektri schen Kontaktierung der Lichtquellen jeweils beide Pole mittels einer das erzeugte Licht spiegelnden Kontaktierungsschicht elektrisch angeschlossen sein, wobei die Kontaktierungsschicht von einer obenliegenden Lichtaustrittsfläche aus gesehen unter der photonischen Struktur und der Lichtquellen liegt. Die Kon taktierungsschicht kann dabei wenigstens zwei elektrisch ge trennte Bereiche aufweisen, um einen Kurzschluss zwischen den Polen zu vermeiden.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann bei einer Anordnung von vertikalen Leuchtdioden zur elektrischen Kontak tierung der Lichtquellen ein von der Lichtaustrittsfläche ab gewandter, insbesondere positiver, erster Pol an einer das er zeugte Licht spiegelnden Kontaktierungsschicht elektrisch an geschlossen sein, wobei die Kontaktierungsschicht von einer obenliegenden Lichtaustrittsfläche aus gesehen unter der pho tonischen Struktur und der Lichtquellen liegt. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann der jeweils andere, insbesondere negative, zweite Pol, welcher der Lichtaustritts fläche zugewandt ist, mittels einer Schicht eines elektrisch leitfähigen und optisch transparenten Materials, insbesondere ITO, elektrisch angeschlossen sein. Zwischen der Schicht und der spiegelnden Kontaktierungsschicht kann ein Füllmaterial an geordnet sein.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann jede der Lichtquel len eine Rekombinationszone aufweisen und der photonische Kris tall kann derart nah an den Rekombinationszonen liegen, dass der photonische Kristall eine im Bereich der Rekombinationszo nen vorhandene optische Zustandsdichte verändert, insbesondere derart, dass eine Bandlücke für wenigstens eine optische Mode mit einer Ausbreitungsrichtung parallel und/oder unter kleinem Winkel zur Lichtaustrittsfläche erzeugt wird. Um die optische Bandlücke im Bereich der Rekombinationszone zu bewirken, ist es vorteilhaft, wenn der photonische Kristall sehr nah an der Re kombinationszone liegt. Außerdem ist es zur Ausbildung der Band lücke vorteilhaft, wenn in einer Richtung senkrecht zur Licht austrittsfläche gesehen die Höhe des photonischen Kristalls groß ist, insbesondere gleich oder über 300 nm. Mittels des photonischen Kristalls kann somit für das abgestrahlte Licht eine Direktionalität bereits im Bereich der Lichterzeugung er zielt werden, da die Emission von Licht mit einer Ausbreitungs richtung parallel und/oder in einem kleinen Winkel zur Licht austrittsfläche unterdrückt werden kann. Die Erzeugung von Licht kann dann ausschließlich in einem begrenzten Emissionskegel senkrecht zur Lichtaustrittsfläche erfolgen. Der Öffnungswinkel des Emissionskegels ist dabei abhängig vom photonischen Kris tall und kann einen kleinen Wert, zum Beispiel maximal 20°, maximal 15°, maximal 10° oder maximal 5°, betragen. Der photonische Kristall kann in Bezug auf eine parallel zur Lichtaustrittsfläche verlaufende Ebene unabhängig von der Po sitionierung der Lichtpunkte angeordnet sein.
Der photonische Kristall kann mittels einer an sich bekannten Lithographietechnik hergestellt werden. Mögliche an sich be kannte Technologien sind zum Beispiel Nanoimprintlithographie oder Immersions-EUV-Stepper, wobei EUV für extreme ultravio lette Strahlung steht.
Die photonische Struktur kann eine Vielzahl von Pillarstruktu- ren umfassen, die sich zumindest teilweise zwischen der Licht austrittsfläche und der Vielzahl der Lichtquellen erstrecken, wobei jeweils ein Pillar einer Lichtquelle zugeordnet ist und in einer Richtung senkrecht zur Lichtaustrittsfläche betrachtet fluchtend mit dieser ausgerichtet ist.
Die Pillars können auch als Säulen bezeichnet werden. Die Pil- lars bzw. Säulen weisen eine Längsachse auf, die sich bevorzugt senkrecht zur Lichtaustrittsfläche erstreckt. Bei einer fluch tenden Ausrichtung eines Pillars und einer zugeordneten Licht quelle ist insbesondere gemeint, dass die verlängerte Längsachse des Pillars den Mittelpunkt der Lichtquelle schneidet.
Quer zur Längsachse gesehen können die Pillars einen kreisför migen, quadratischen oder vieleckigen Querschnitt haben. Die Pillars haben bevorzugt ein Aspektverhältnis Höhe zu Durchmes ser von mindestens 3:1. Die Höhe wird dabei in Richtung der Längsachse der Pillars gemessen.
Die Pillars sind insbesondere aus einem Material mit hohem Bre chungsindex ausgebildet, wie zum Beispiel KPq2q5· Durch den hö heren Brechungsindex im Vergleich mit dem umgebenden Material kann die Lichtemission in einer Richtung parallel zur Längsachse der Pillars im Vergleich zu anderen Raumrichtungen erhöht wer den. Die Pillars wirken als Wellenleiter. Dabei wird Licht ent lang der Längsachse der Pillars effizienter ausgekoppelt als längs anderer Ausbreitungsrichtungen. Die Direktionalität in Richtung der Längsachse des Lichts kann somit verbessert werden. Da die Längsachse des Lichts bevorzugt senkrecht zur Lichtaus trittsfläche verläuft, kann außerdem eine verbesserte Lichtaus- koppelung senkrecht zur Lichtaustrittsfläche erreicht werden.
Die Anordnung kann ein Array sein, das als Lichtquellen eine Vielzahl von Pixeln aufweist, die in einer ersten Schicht an geordnet sind, und die Pillars können in einer weiteren, zweiten Schicht angeordnet sein, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und der Lichtaustrittsfläche liegt. Die Pillars können somit auf der Oberfläche des pixelierten Arrays angeord net sein. Die Pillar- bzw. Säulenstrukturen können dabei frei stehend aus einem Material mit hohem Brechungsindex ausgebildet sein. Zusätzlich kann der Freiraum zwischen den Pillars mit einem Füllmaterial, z.B. Siliziumdioxid, mit niedrigem Bre chungsindex verfüllt sein.
Die Anordnung kann als Lichtquellen eine Vielzahl von LEDs auf weisen, die in einer ersten Schicht angeordnet sind, und die Pillars können in einer weiteren, zweiten Schicht angeordnet oder ausgebildet sein, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und der Lichtaustrittsfläche liegt.
Die Anordnung kann ein Array sein, das als Lichtquellen eine Vielzahl von Pixeln aufweist, die in einer ersten Schicht an geordnet sind, und die Pillars können ebenfalls in der ersten Schicht angeordnet sein. Insbesondere können die Pillars derart in der ersten Schicht angeordnet sein, dass zumindest ein je weiliger Teil eines Pillars näher an der Lichtaustrittsfläche ist als die dem Pillar zugeordnete Lichtquelle. Der Pillar kann dadurch als Lichtwellenleiter zwischen der Lichtquelle und der Lichtaustrittsfläche fungieren. Die Pillars können aus einem in der ersten Schicht vorgesehenen Halbleitermaterial des Arrays ausgebildet sein, wobei das Halbleitermaterial einen hohen Bre chungsindex aufweist. Insbesondere kann durch Ätzen Halbleiter material in der ersten Schicht derart entfernt werden, dass die Pillars stehen bleiben. Die Freiräume zwischen den Pillars kön nen wiederum mit einem niederbrechenden Material verfällt sein.
Die Anordnung kann ein Array sein, das als Lichtquellen eine Vielzahl von Pixeln, insbesondere in Form von LEDs, aufweist, wobei die Pixel in den Pillars ausgebildet sind. Ein Array kann somit derart erstellt werden, dass die einzelnen Pixel die Form von Pillars haben. Dabei ist jeder Pillar vorzugsweise eine LED und funktioniert als einzelner Pixel. In Bezug auf die Längs achse eines Pillars gesehen kann die Länge des Pillars einer halben Wellenlänge des emittierten Lichts entsprechen, und die Rekombinationszone der von einem Pillar gebildeten LED liegt bevorzugt in der Mitte des Pillars. Die Rekombinationszone liegt damit in einem lokalen Maximum der photonischen Zustandsdichte. Die Lichtemission parallel zur Längsrichtung der Pillars kann dadurch deutlich erhöht werden. Durch den Wellenleiter-Effekt wird das Licht mit Ausbreitungsrichtung parallel zur Längsachse zusätzlich effektiver ausgekoppelt als Licht anderer Ausbrei tungsrichtungen .
Das Aspektverhältnis Höhe zu Durchmesser eines Pillars beträgt vorzugsweise 3:1. Bei gebräuchlichen Emissionswellenlängen ha ben die Pillars eine Höhe von ca. 100 nm und einen Durchmesser von 30 nm. Auch hochskalierte, größere Höhen bzw. Durchmesser sind möglich, die einfacher herzustellen sind. Der Zwischenraum zwischen den die Lichtquellen aufweisenden Pillars kann mit Material, zum Beispiel Siliziumdioxid, verfällt sein, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als das Halbleitermaterial fär die Pillars. Bei einem eine Lichtquelle aufweisenden Pillar kann ein p-Kon- takt auf der von der Lichtaustrittsfläche abgewandten Unterseite des Pillars hergestellt werden. Ein n-Kontakt kann zum Beispiel auf der halben Höhe der Pillars auf der Oberseite des Pillars hergestellt werden. Der n-Kontakt kann über ein transparentes leitfähiges Material hergestellt werden, insbesondere als Zwi schenschicht im Füllmaterial oder als oberste Schicht über den Pillars. Ein mögliches Material für eine n-Kontaktschicht ist beispielsweise ITO ( Indium-Zinn-Oxid) . Auch eine umgekehrte An ordnung von n- und p-Kontakt ist möglich.
Insbesondere kann bei einer Anordnung von als Pillars oder Säu len geformten, insbesondere vertikalen, Leuchtdioden zur elektrischen Kontaktierung jeweils ein, insbesondere positiver, erster Pol an einer spiegelnden Kontaktierungsschicht elektrisch angeschlossen sein, die an und/oder entlang ersten Längsenden der Leuchtdioden ausgebildet sein kann.
Der jeweils andere, insbesondere negative, zweite Pol kann an einer weiteren Schicht aus einem elektrisch leitfähigen und optisch transparenten Material, insbesondere ITO, elektrisch angeschlossen sein. Diese Schicht kann als Zwischenschicht in der Mitte der Pillars oder Säulen oder an und/oder entlang von zweiten Längsenden der Pillars angeordnet sein, wobei die zwei ten Längsenden den ersten Längsenden entgegengesetzt sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine optoelektronische Vor richtung zur Erzeugung einer zu einer emittierenden Oberfläche senkrecht gerichteten Emission von Licht aus einem, insbeson dere planaren, Pixel aufweisenden Array oder aus einer Anordnung von Leuchtdioden vorgeschlagen, wobei optisch wirkende Struk turen, insbesondere Nanostrukturen wie ein photonischer Kris tall oder eine Pillarstruktur, entlang der gesamten emittieren den Oberfläche zu der senkrecht gerichteten Emission des Lichts strukturiert sind. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vorrichtung zur Erzeugung einer zu ei ner emittierenden Oberfläche senkrecht gerichteten Emission von Licht aus einem, insbesondere planaren, pixelierten Array oder aus einer Anordnung von Leuchtdioden vorgeschlagen, wobei op tisch wirkende Strukturen entlang der gesamten emittierenden Oberfläche zu der senkrecht gerichteten Emission des Lichts strukturiert werden.
Planares Array heißt insbesondere ebenes Array. Eine Oberfläche eines Arrays oder Feldes ist zudem vorzugsweise glatt. Bei einem pixelierten Array handelt es sich insbesondere um ein monoli thisches, pixeliertes Array.
Alle erwähnten Materialien, insbesondere die Materialen in ei nem photonischen Kristall, einem Pillar, oder die Füllmateria lien weisen bevorzugt einen niedrigen Absorptionskoeffizienten auf. Der Absorptionskoeffizient ist hier insbesondere ein Maß für die Verringerung der Intensität elektromagnetischer Strah lung beim Durchgang durch ein gegebenes Material.
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsvarianten der Er findung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher er läutert. Dabei zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit.
Fig . 2 eine geschnittene Ansicht einer zweiten Variante ei ner erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit.
Fig . 3 eine Anordnung einer Vielzahl von Beleuchtungsein heiten der Fig. 2. Fig . 4 eine perspektivische Ansicht einer vierten Variante einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit.
Fig . 5 ein Blockdiagramm eines Oberflächentopographie-Er kennungssystems mit einer Beleuchtungseinheit von Fig . 4.
Fig . 6 eine Beleuchtungseinheit mit einer Emittereinheit, die eine Lichtaustrittsfläche aufweist, auf der ein Polarisationselement mit einer dreidimensionalen photonischen Struktur aufgebracht ist.
Fig . 7 eine Darstellung einer dreidimensionalen photoni schen Struktur mit einer Vielzahl von spiralförmigen Strukturelementen .
Fig. 8 Beleuchtungseinheit mit einer Emittereinheit, die eine Lichtaustrittsfläche aufweist, auf der ein Po larisationselement mit einer dreidimensionalen pho- tonischen Struktur, die über wellenlängenselektive
Eigenschaften verfügt, aufgebracht ist.
Fig . 9 eine Beleuchtungseinheit mit einer Emittereinheit und einer dreidimensionalen photonischen Struktur, in die Konvertermaterial verfüllt ist.
Fig. 10 eine Draufsicht und Schnittansicht einer Strahlungs quelle, mit einer LED und einem Konverterelement, das durch eine mit Konvertermaterial gefüllte struktu- rierte Schicht, die sich nur in der obersten Schicht des LED-Halbleitermaterials befindet, gebildet wird.
Fig. 11 einen Querschnitt durch eine Strahlungsquelle, die über eine LED, ein Konverterelement, das durch eine mit Konvertermaterial gefüllte strukturierte Schicht, die sich nur in der obersten Schicht des LED-Halbleitermaterials befindet, gebildet wird, so wie über eine auf die oberste Schicht des LED-Halb- leitermaterials aufgebrachte Filterschicht verfügt.
Fig. 12 eine Draufsicht und Schnittansicht einer Strahlungs quelle mit LED und Konverterelement, das durch eine mit Konvertermaterial gefüllte strukturierte Schicht, die bis in die aktive Zone des LED-Halb- leitermaterials reicht, gebildet wird.
Fig . 13 einen Querschnitt durch eine Strahlungsquelle, die über eine LED, ein Konverterelement, das durch eine mit Konvertermaterial gefüllte strukturierte Schicht, die bis in die aktive Zone des LED-Halb- leitermaterials reicht, gebildet wird, und über eine auf die oberste Schicht des LED-Halbleitermaterials aufgebrachte Filterschicht verfügt. Fig. 14 ein Ausführungsbeispiel einer vorgeschlagenen Vor richtung .
Fig. 15 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer vorgeschlage nen Vorrichtung.
Fig. 16 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer vorgeschlage nen Vorrichtung.
Fig. 17 ein Ausführungsbeispiel eines vorgeschlagenen Verfah rens .
Fig. 18a eine erste vorgeschlagene Vorrichtung in einer Drauf- sicht.
Fig. 18b die erste vorgeschlagene Vorrichtung in einem Quer schnitt .
Fig. 19a eine zweite vorgeschlagene Vorrichtung in einer
Draufsicht . Fig . 19b die zweite vorgeschlagene Vorrichtung in einem Quer schnitt .
Fig . 20a eine dritte vorgeschlagene Vorrichtung in einer
Draufsicht . Fig . 20b die dritte vorgeschlagene Vorrichtung in einem Quer schnitt .
Fig . 21a eine vierte vorgeschlagene Vorrichtung in einer
Draufsicht .
Fig . 21b die vierte vorgeschlagene Vorrichtung in einem Quer schnitt .
Fig . 22a eine fünfte vorgeschlagene Vorrichtung in einer
Draufsicht .
Fig . 22b die fünfte vorgeschlagene Vorrichtung in einem Quer schnitt . Fig . 23a eine sechste vorgeschlagene Vorrichtung in einer
Draufsicht .
Fig . 23b die sechste vorgeschlagene Vorrichtung in einem Quer schnitt .
Fig . 24a eine siebte vorgeschlagene Vorrichtung in einer
Draufsicht .
Fig . 24b die siebte vorgeschlagene Vorrichtung in einem Quer schnitt .
Fig . 25a eine achte vorgeschlagene Vorrichtung in einer Drauf sicht . Fig . 25b die achte vorgeschlagene Vorrichtung in einem Quer schnitt .
Fig . 26a eine neunte vorgeschlagene Vorrichtung in einer
Draufsicht . Fig. 26b die neunte vorgeschlagene Vorrichtung in einem Quer schnitt .
Fig. 27 eine Querschnittsansicht einer weiteren Variante ei ner erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die in Fig. 1 gezeigte Beleuchtungseinheit 11 umfasst wenigstens eine optoelektronische Emittereinheit 13, welche dazu ausgebil det ist, über eine Lichtaustrittsfläche 15 elektromagnetische Strahlung 19, wie etwa sichtbares oder infrarotes Licht einer Wellenlänge, zu emittieren. Dabei ist eine photonische Struktur 17 zur Strahlformung der elektromagnetischen Strahlung vorge sehen, bevor diese über die Lichtaustrittsfläche 15 austritt. Die photonische Struktur 17 formt die elektromagnetische Strah lung 19 derart, dass die elektromagnetische Strahlung 19 im Fernfeld 21 eine definierte Charakteristik 23 aufweist.
Insbesondere handelt es sich bei der photonischen Struktur 17 der Beleuchtungseinheit 11 von Fig. 1 um einen eindimensionalen photonischen Kristall 25. Dieser erstreckt sich bei der darge- stellten Variante bis zur Lichtaustrittsfläche 15. Die Stirn seite des photonischen Kristalls 25 bildet somit die Lichtaus trittsfläche 15. Der eindimensionale photonische Kristall 25 weist eine periodische Variation des optischen Brechungsindexes längs einer ersten Richtung RI auf.
Der Kristall 25 bzw. die periodische Variation sind so einge stellt, dass sie die von einer Lichtquelle (nicht gezeigt) der Emittereinheit abgestrahlte elektromagnetische Strahlung strahlformen. Insbesondere wird eine Lichtausbreitung längs der ersten Richtung RI blockiert. Dadurch weist die abgestrahlte emittierte Strahlung 19 im Fernfeld 21 nur eine geringfügige Ausdehnung längs der ersten Richtung RI aus. Charakteristisch an der elektromagnetischen Strahlung 19 im Fernfeld 21 ist so- mit, dass sie einen schmalen Streifen 27 bildet. Die elektro magnetische Strahlung 19 ist daher in Bezug auf die erste Rich tung 19 kollimiert.
Bei der Lichtquelle handelt es sich insbesondere um eine LED. Diese ist typischerweise ein Lambertscher Strahler. Durch die Verwendung der photonischen Struktur 17 und die daraus resul tierende Strahlformung kann eine gerichtete, kollimierte elekt romagnetische Strahlung 19 erzeugt werden.
Wie Fig. 1 schematisch zeigt, verlässt die abgestrahlte elekt romagnetische Strahlung 19 die Emittereinheit 13 in Form eines sich im Wesentlichen längs einer zweiten Richtung R2 auffä chernden Lichtkegels . Die Mittelachse des Lichtkegels erstreckt sich dabei längs einer Hauptabstrahlrichtung H, die senkrecht zur Lichtaustrittsfläche 15 verläuft. Nicht gezeigt ist eine, in Hauptabstrahlrichtung H gesehen nachgeordnet zur Lichtaus trittsfläche 15 angeordnete, kollimierende, optionale Optik. Mittels der Optik kann die elektromagnetische Strahlung 19 in der zweiten Raumrichtung R2, welche orthogonal zu der ersten Raumrichtung RI verläuft, kollimiert werden. Die elektromagne tische Strahlung 19 kann im Fernfeld 21 somit in Bezug auf die beiden Richtungen RI, R2 kollimiert sein. Es entsteht ein Leuchtpunkt .
Eine Beleuchtungseinrichtung 11 gemäß Fig. 1 eignet sich beson ders gut zur Anwendung in einem optischen Scanner. Dabei kann die Beleuchtungseinrichtung 11 aufgrund des streifenartigen Lichtbilds im Fernfeld 21 insbesondere für Zeilen-Scan-Anwen- dungen eingesetzt werden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Beleuchtungseinrichtung 11 ist ein eindimensionaler photonischer Kristall 25 an der Oberseite der Emittereinheit 13 ausgebildet. Die Stirnseite des Kristalls 25 bildet die Lichtaustrittsfläche 15 für elektromagnetische Strahlung, die von einer nicht dargestellten optoelektronischen Lichtquelle, zum Beispiel einer LED, erzeugt wird und durch den photonischen Kristall 25 hindurch über die Lichtaustrittsfläche 25 abgestrahlt wird.
Im Unterschied zu der Variante gemäß Fig. 1 verläuft bei der Beleuchtungseinheit der Fig. 2 die Hauptabstrahlrichtung H der elektromagnetischen Strahlung 19 in einem Winkel oc zur Normalen N der Lichtaustrittsfläche 15. Der Winkel oc ist dabei ungleich null Grad. Der Winkel oc kann beispielsweise im Bereich zwischen 30 und 60 Grad liegen. Dies wird dadurch erreicht, dass der eindimensionale photonische Kristall 25 eine sich in einer ers ten Richtung RI erstreckende, periodisch wiederholende Abfolge von zwei Materialen 31, 33 mit unterschiedlichem optischen Bre chungsindex aufweist. Die Materialien 31, 33 haben einen paral lelogrammartigen Querschnitt und aneinander anstoßende Grenz flächen der Materialen 31, 33 verlaufen nicht orthogonal, son dern geneigt zur Lichtaustrittsfläche 15, wie in Fig. 2 sche matisch gezeigt ist.
Eine derartige Struktur kann beispielsweise gebildet werden, indem parallel zueinander verlaufende Gräben 29 schräg zur Lichtaustrittsfläche 15 in das die Lichtaustrittsfläche 15 auf weisende Substrat 31 geätzt werden. Die Gräben 29 können mit einem Material 33 aufgefüllt werden, das einen anderen optischen Brechungsindex aufweist als das weggeätzte Substratmaterial 33. Der Winkel oc kann dabei von der Schräge der Gräben 29 zur Lichtaustrittsfläche 15 abhängen. Die Breite der Gräben 29 und die Breite eines jeweiligen zwischen zwei Gräben 29 verbleiben den Substratmaterials 31 hat Einfluss auf die Wellenlängen, auf welche der photonische Kristall 25 sich auswirken kann. Typi scherweise werden die Breite der Gräben 29 und die Breite des zwischen zwei Gräben liegenden Substratmaterials 33 und damit auch die Periodizität der photonischen Kristallstruktur 25 an die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung angepasst, die von der Lichtquelle oder einem zwischen Lichtquelle und photonischen Kristall angeordneten Konvertermaterial bereitge stellt wird.
Mittels des eindimensionalen photonischen Kristalls 25 kann die Beleuchtungseinheit 11 der Fig . 2 wiederum ein Lichtstreifen 27 im Fernfeld 21 erzeugen, wie in Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurden. Im Unterschied zu der Variante der Fig. 1 ist die Haupt- abstrahlrichtung H bei der Variante der Fig. 2 um den Winkel oc gegenüber der Normalen N verkippt. Mittels einer nachgeordneten Kollimationsoptik kann der Streifen 27 in eine punkt- bzw. kreisförmige Struktur im Fernfeld 21 gebracht werden.
Die in Fig. 3 dargestellte Variante umfasst eine linienartige oder arrayartige Anordnung von mehreren Beleuchtungseinheiten 11 der Fig. 2. Die von den einzelnen Beleuchtungseinheiten 11 emittierten Lichtstrahlen 19 weisen die gleiche Hauptabstrahl- richtung H auf. Die Lichtstrahlen 19 können von einer zusätz lichen, kollimierenden Optik 35, insbesondere einer Linse, auch in einer zweiten Richtung, die in der Darstellung der Fig. 2 senkrecht zur Bildebene verläuft, kollimiert werden. Es ergibt sich somit im Fernfeld hinter der Optik 35 eine punkt- bzw. kreisförmige Abbildung der emittierten Strahlung 19.
Durch die Verwendung eines photonischen Kristalls bei einer Beleuchtungseinrichtung 11 gemäß den Fig. 2 und 3 ergibt sich eine effektiv höhere Auflösung für eine linien- bzw. arrayartige Anordnung der Beleuchtungseinrichtungen 11 gemäß Fig. 3. Außer dem lassen sich kleinere Strahlquerschnitte realisieren, ins besondere im Fernfeld nachgeordnet der Optik 35. Dadurch, dass bereits durch die in die Beleuchtungseinrichtungen 11 inte grierten photonischen Kristalle 25 eine Kollimation in der ers ten Richtung RI (vgl. Fig. 2) erfolgt, können die Optik 35 und eventuell weitere, nachfolgende Optiken kompakter ausgebildet werden. Bei der Variante der Fig . 4 umfasst die Beleuchtungseinheit 11 eine photonischen Struktur 17, bei der es sich um einen zwei dimensionalen photonischen Kristall 37 handelt, dessen Stirn seite die Lichtaustrittsfläche 15 bildet. Von der Lichtaus trittsfläche 15 aus gesehen ist hinter dem photonischen Kristall 37 wenigstens eine optoelektronische Lichtquelle, optional mit Konvertermaterial, angeordnet. Der photonische Kristall 37 ist dazu ausgebildet, die über die Lichtaustrittsfläche abge strahlte elektromagnetische Strahlung 19 so zu formen, dass diese ein definiertes, diskretes, Muster 39 im Fernfeld 21 er zeugt. Bei dem dargestellten Beispiel besteht das Muster 39 aus mehreren verteilten Lichtpunkten 41, wobei auch andere Muster möglich sind.
Die Beleuchtungseinheit 11 der Fig. 4 eignet sich zum Beispiel zur Verwendung in einem Oberflächentopographie-Erkennungssystem 43, das beispielhaft in dem Blockdiagramm der Fig. 5 dargestellt ist. Das System 43 umfasst zusätzlich zu der Beleuchtungseinheit 11 eine Detektionseinheit 45 mit einer Kamera 47, die zur Er fassung des Musters 39 ausgebildet ist, wenn dieses ein Objekt (nicht gezeigt) ausleuchtet.
Ferner ist eine Analyseeinrichtung 49 vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, eine Verzerrung des Musters 39 in Bezug auf ein vorgegebenes Referenzmuster zu ermitteln. Das Referenzmus ter kann zum Beispiel aus der Erfassung des Musters 39, wenn es auf eine ebene Oberfläche projiziert wird, bestimmt werden.
Die Analyseeinrichtung 49 ist außerdem dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von der ermittelten Verzerrung des Musters 39 eine Form und/oder eine Struktur des von dem Muster 39 im Fernfeld 39 ausgeleuchteten Objekts zu bestimmen. Mittels des Systems 43 kann somit beispielsweise eine Gesichtserkennung realisiert werden . Bei der Variante gemäß Fig . 4 können nachgeordnete Optiken zur Mustererzeugung eingespart werden, da das Muster 39 sich bereits mittels des photonischen Kristalls 37 erzeugen lässt. Die Be leuchtungseinrichtung 11 gemäß Fig. 4 und damit einhergehend das System 43 gemäß Fig. 5 lassen sich daher in einer besonders kompakten Form realisieren.
Fig. 6 zeigt eine Beleuchtungseinheit 1 mit einer Emittereinheit 2, die eine Lichtaustrittsfläche 3 aufweist, auf der ein Pola risationselement 4 in Form einer Polarisationsschicht mit einer dreidimensionalen photonischen Struktur aufgebracht ist. Gemäß dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Emittereinheit 2 um eine LED 5, die Licht im sichtbaren oder eventuell auch im ultravioletten Wellenlängenbereich emittiert. Das von der LED 5 emittierte Licht wird in die dreidimensionale photonische Struktur geleitet und hier in Abhängigkeit der Aus gestaltung und Dimensionierung der Struktur in eine bestimmte Schwingungsrichtung polarisiert. Je nach Ausführung der drei dimensionalen photonischen Struktur kann eine zirkulare oder eine lineare Polarisation erfolgen. Wesentlich ist, dass nur Licht mit einer bestimmten Polarisation von der Beleuchtungs einheit 1 ausgestrahlt wird.
Verfügt die dreidimensionale photonische Struktur des Polari sationselementes 4 über spiralförmige Strukturelemente 6, wie sie in Fig. 7 gezeigt sind, so erfolgt eine zirkulare Polari sation. Sind die Strukturelemente der dreidimensionalen photo nischen Struktur dagegen stäbchenförmig, insbesondere als so genannte Nanorods ausgeführt, wird hierdurch eine lineare Po larisation der durch die dreidimensionale photonische Struktur geführten Strahlung bewirkt.
Die Herstellung der in Fig. 6 gezeigten Beleuchtungseinheit 1 erfolgt mithilfe des Zwei-Photon-Lithographie-Verfahrens , des Glancing-Angle-Deposition-Verfahrens , der Laserinterferenz lithographie oder durch holografische Strukturierung. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in Fig. 7 ge zeigten spiralförmigen Strukturelemente 6 mithilfe des Glan- cing-Angle-Deposition-Verfahrens hergestellt worden sind.
Eine Beleuchtungseinheit 1, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist, kann auf vorteilhafte Weise mit weiteren Beleuchtungseinheiten kom biniert werden, die komplementäre Eigenschaften aufweisen. Es werden somit Beleuchtungseinheiten 1 zur Bilderzeugung kombi niert, die unterschiedliche Polarisations- und/oder Transmis sionseigenschaften aufweisen.
Die mit Hilfe mehrerer Beleuchtungseinheiten, die jeweils über komplementäre Eigenschaften verfügen, erzeugten, in unter schiedlichen Schwingungsrichtungen polarisierten Strahlungen werden bevorzugt mithilfe gemeinsamer Optiken auf ein Display oder einen Schirm abgebildet. Derartige Vorrichtungen können auf vorteilhafte Weise in Anwendungen verwendet werden, um drei dimensionale Bilder zu erzeugen.
Mit der gemäß Fig. 6 auf der Oberfläche bzw. der Lichtaustritts fläche 3 eines LED-Chips angeordneten dreidimensionalen photo- nischen Struktur, die ein Polarisationselement 4 bildet, ist es möglich, Licht mit grundlegend anderen Eigenschaften, insbeson dere mit definierter Polarisation zu erzeugen, als dies mit den derzeit bekannten LEDs möglich ist. Der große Vorteil besteht dabei darin, dass aufgrund des Vorsehens von einer dreidimen sionalen photonischen Struktur auf der Chip-Oberfläche keine zusätzlichen optischen Komponenten, wie zum Beispiel ein klas sischer Polarisationsfilter, erforderlich sind. Die Beleuch tungseinheit kann daher vergleichsweise klein ausgeführt wer den. Aufgrund der Strukturierung direkt auf dem Halbleiterchip der LED 5 ist eine derartige Beleuchtungseinheit 1 auch ener- gieeffizienter als die bekannten Beleuchtungseinheiten, bei de nen eine nachträgliche Selektion der Polarisation erfolgt. Je des Photon, das aufgrund seiner Eigenschaften nicht durch die dreidimensionale photonische Struktur hindurchtritt, verbleibt im LED-Chip und kann durch einen Reabsorptionsprozess neu emit tiert werden.
Fig . 8 zeigt eine Beleuchtungseinheit 1 mit einer Emittereinheit 2, die eine Lichtaustrittsfläche 3 aufweist, auf der ein Pola risationselement 4 mit einer dreidimensionalen photonischen Struktur, die über wellenlängenselektive Eigenschaften verfügt, aufgebracht ist.
Die photonische Struktur ist in diesem Fall als dreidimensio naler photonischer Kristall ausgeführt. Alternativ können meh rere zweidimensionale photonische Kristalle in Lagen übereinan der angeordnet werden.
Die dreidimensionale photonische Struktur ist derart ausge führt, dass diese über einen wellenlängenspezifischen Transmis sionsgrad und Polarisationseigenschaften verfügt. Dies bedeu tet, dass der Transmissionsgrad sowie die Polarisationseigen schaften der dreidimensionalen photonischen Struktur in Abhän gigkeit der Wellenlänge der auftreffenden Strahlung variieren.
Die in Fig. 8 gezeigte Beleuchtungseinheit 1 verfügt über eine Emittereinheit, die wiederum eine LED 5 aufweist. Ferner ist ein Konverterelement 7 mit einer Schicht aus Konvertermaterial vorgesehen. Das Konvertermaterial emittiert aufgrund einer An regung durch von der LED 5 emittierten Anregungsstrahlung 8 eine konvertierte Strahlung 9, die eine gegenüber der Wellenlänge der Anregungsstrahlung 8 geänderte Wellenlänge aufweist. Treffen nunmehr sowohl nicht konvertierte Anregungsstrahlung 8 als auch konvertierte Strahlung 9 auf die dreidimensionale pho- tonische Struktur auf, so werden diese Strahlungen in Abhängig keit ihrer Wellenlänge in Bezug auf die Transmission sowie Po larisation auf unterschiedliche Weise beeinflusst. Wie Fig. 8 zu entnehmen ist, wird die konvertierte Strahlung 9 senkrecht zur Oberfläche des LED-Chips ausgekoppelt, während die Anre gungsstrahlung 8 seitlich abgelenkt wird.
Derartige Beleuchtungseinheiten können auf bevorzugte Weise in Bauteilen zum Einsatz kommen, in denen Strahlungen mit unter schiedlichen Wellenlängen erzeugt werden, wobei bei einer Kom bination von LEDs und Konverterelementen unterschiedliche Funk tionen umgesetzt werden können. In Abhängigkeit der Ausgestal tung der dreidimensionalen photonischen Struktur sowie der Wel lenlänge der jeweils von einer LED emittierten Anregungsstrah lung 8 ist es möglich, eine vollständige Unterdrückung der An regungsstrahlung 8 zu erreichen, während die konvertierte Strah lung 9 die dreidimensionale photonische Struktur durchstrahlt. Ebenso ist es denkbar, dass die Anregungsstrahlung 8 abgelenkt wird, während die konvertierte Strahlung 9, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, senkrecht zur Chipoberfläche ausgekoppelt wird. Selbstverständlich kann der Mechanismus auch umgekehrt sein. Im Weiteren ist es ebenfalls denkbar, die konvertierte Strahlung 9 auf eine spezielle Weise zu polarisieren, während die Anre gungsstrahlung 8 unverändert über die Chipoberfläche austritt. Auch hier kann der Mechanismus umgekehrt sein.
Die in Fig. 9 dargestellte Variante einer Beleuchtungseinheit umfasst eine Emittereinheit, hier wiederum in Form einer LED 15, sowie eine, zum Beispiel spiralartig ausgestaltete, drei dimensionale photonischen Struktur 11. Konvertermaterial 13 ist in die Struktur 11 verfüllt. Fig . 10 zeigt in einer Draufsicht und einer Schnittansicht eine Strahlungsquelle 6 mit einer LED und mit einer in einem Halb leitersubstrat 8 der LED 7 angeordneten Schicht 2, die eine Struktur 4 mit einem geeigneten Konvertermaterial aufweist. Die strukturierte Schicht 2 mit dem Konvertermaterial bildet ein Konverterelement 1, wobei das Konvertermaterial bei Anregung durch die von der LED 7 emittierte Anregungsstrahlung konver tierte Strahlung in einen Abstrahlbereich 3 der Strahlungsquelle 6 aussendet.
Die in der Schicht 2 mit dem Konvertermaterial vorgesehene Struktur 4 ist derart ausgeführt, dass die konvertierte Strah lung ausschließlich als gerichtetes Strahlenbündel in einen be stimmten Abstrahlbereich 3 emittiert wird.
Gemäß dem in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die konvertierte Strahlung senkrecht zu einer Ebene, in der sich der LED-Chip mit seinen Halbleitersubstraten befindet abge strahlt .
Bei der in Fig. 10 dargestellten strukturierten Schicht 2 han delt es sich um einen zweidimensionalen photonischen Kristall, der in das LED-Halbleitersubstrat geätzt wurde. Die einzelnen, hier stäbchenförmigen Ausnehmungen der Struktur 4 sind mit dem Konvertermaterial gefüllt worden. Die Schichtdicke der Struktur 4 beträgt mindestens 500 nm, sodass in dem kristallinen Fest körpermaterial eine Bandlücke erzeugt wird, die eine Direktio- nalität der vom Konverterelement 1 emittierten konvertierten Strahlung bewirkt.
Durch eine derartige photonische Struktur können die Direktio- nalität und somit auch die Effizienz, insbesondere auch von Etendue-begrenzten Systemen, erheblich erhöht werden. Aufgrund des Vorsehens einer Schicht 2 mit einer entsprechenden Struktur 4 und geeignetem Konvertermaterial direkt auf der Oberfläche der LED 7 kann auf die ansonsten zusätzlich vorgesehenen opti schen Elemente verzichtet und somit durch Ausnutzung der Erfin dung eine vergleichsweise klein ausgeführte Strahlungsquelle realisiert werden.
Mit Hilfe der in Fig . 10 dargestellten Strahlungsquelle 6 können auch sehr kleine Bauteile, wie etwa pixelierte LED-Arrays für hochauflösende Displays, oder integrierte Bauteile, etwa für den Bereich der Unterhaltungselektronik, realisiert werden.
Im Übrigen wird eine energetisch besonders effiziente Strah lungsquelle zur Verfügung gestellt, da einerseits kein Licht in eine nicht benötigte Richtung, die nicht senkrecht zur LED- Chipoberfläche angeordnet ist, abgestrahlt wird und anderer seits das gesamte konvertierte Licht nutzbar ist. Ferner können so auch Moden der von der LED 7 emittierten Anregungsstrahlung, die in der aktiven Zone 9 geführt werden und eine geringe Ex traktionseffizienz aus der LED 7 haben, effizient konvertiert werden .
Ergänzend zeigt Fig. 11 die Schnittansicht einer Strahlungs quelle 6, die, wie es im Zusammenhang mit Fig. 10 erläutert worden ist, ausgeführt ist, allerdings zusätzlich über ein auf die oberste Schicht der Strahlungsquelle 6 aufgebrachtes Fil terelement 5 in Form einer Filterschicht 5, die für Strahlung ausgewählter Wellenlängenbereich undurchlässig ist, verfügt. Die Filterschicht 5 hat hierbei bevorzugt die Funktion eines Farbfilters .
Eine derartige technische Ausführung bietet sich vor allem für Strahlungsquellen 6 an, bei denen eine LED 7 und ein Konver terelement 1 derart kombiniert werden, dass es zu einer Voll konversion des von der LED 7 emittierten Lichts kommt. Mithilfe einer geeignet ausgeführten Filterschicht 5 kann so die in den Abstrahlbereich 3 emittierte Strahlung auf Strahlung mit einer gewünschten Wellenlänge begrenzt werden. Ebenso lässt sich mit einer derartigen Filterschicht 5 sicherstellen, dass von der LED 7 emittierte Anregungsstrahlung, die von dem Konverterele ment 1 nicht in konvertierte Strahlung umgewandelt wird, bei Bedarf mit Hilfe der Filterschicht 5 daran gehindert wird, in den Abstrahlbereich 3 auszutreten.
Fig. 12 zeigt wiederum eine Strahlungsquelle 6, die über eine LED 7 sowie ein auf ein Halbleitersubstrat 8 der LED 7 aufge brachtes Konverterelement 1 verfügt. Das Konverterelement 1 verfügt über eine Schicht 2 mit Konvertermaterial und eine Struktur 4, die auf ein Halbleitersubstrat 8 der LED 7 aufge bracht ist. Bei der strukturierten Schicht 2 handelt es sich bevorzugt um einen photonischen Kristall, eine quasiperiodische oder deterministisch aperiodische photonische Struktur. Die Struktur 4 der Schicht 2 ist mit geeignetem Konvertermaterial gefüllt .
Im Gegensatz zu dem in Fig. 10 erläuterten Ausführungsbeispiel ist die strukturierte Schicht 2 allerdings nicht nur in einem Halbleitersubstrat im oberen Bereich der Strahlungsquelle 6 an geordnet, sondern reicht bis in die aktive Zone 9 der LED 7. Es wird wiederum eine strukturierte Schicht 2 mit einer Schicht dicke, die größer als 500 nm ist, bereitgestellt und somit eine optische Bandlücke erzeugt. Auch in diesem Fall können Moden der von der LED 7 emittierten Anregungsstrahlung, die in der aktiven Zone 9 geführt werden und eine geringe Extraktionsef fizienz aus der LED haben, effizient konvertiert werden.
Ergänzend zeigt Fig. 13 eine Ausgestaltung einer Strahlungs quelle 6, die, wie in Fig. 12 gezeigt, ausgeführt ist und zu sätzlich über ein auf die oberste Schicht der Strahlungsquelle 6 aufgebrachtes Filterelement 5, das in Form einer als Farbfil ter dienenden Filterschicht ausgeführt ist, verfügt. Derartige Farbfilter bieten die Möglichkeiten, bei einer Vollkonversion der von der LED 7 emittierten Anregungsstrahlung die Emission der konvertierten Strahlung in den Abstrahlbereich zu begrenzen oder bei einer nicht vollständigen Konversion die Emission von nicht konvertierter Anregungsstrahlung selektiv zu unterdrü cken .
Fig. 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer vorgeschlagenen Vorrichtung. Gemäß Fig. 14 wird ein ein erstes Material 1 auf weisender Halbleiterkörper dargestellt, der ebenso als Rohchip bezeichnet werden kann und der hier als eine Leuchtdiode aus bildet ist.
Es wird eine Auskopplungsstruktur A ausgebildet. An einem Ober flächenbereich 9 des die Vorrichtung bereitstellenden Halb leiterkörpers wird eine planarisierte Oberfläche 7 ausgebildet. Der Oberflächenbereich 9 wird hierfür strukturiert und danach planarisiert .
Der Halbleiterkörper kann epitaktisch derart erzeugt sein, dass der Oberflächenbereich 9 zu einem nicht dargestellten Träger abgewandt erzeugt wurde. Grundsätzlich können alle Oberflächen bereiche eines die Vorrichtung bereitstellenden Halbleiterkör- pers zur Bildung von, insbesondere optischen, Auskopplungs strukturen A, strukturiert und danach planarisiert werden. An dere Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung können bei dazu abgestimmten Strukturierungen und Planarisierungen ebenso aus gekoppelt werden.
Fig. 14 zeigt ein Strukturieren des Oberflächenbereichs 9 des Halbleiterkörpers , wobei eine zufällige Topologie an dem Ober flächenbereich 9 erzeugt wird. Die zufällige Topologie wird hier mittels direkten Aufrauens des ersten Materials 1 des Halb leiterkörpers an dem Oberflächenbereich 9 ausgebildet.
Topologie ist hier insbesondere eine räumliche Struktur. Danach erfolgt ein Planarisieren des Oberflächenbereichs 9 des Halbleiterkörpers mittels Anbringens eines transparenten drit ten Materials 5 mit niedrigem Brechungsindex, insbesondere klei ner 1,5. Dem folgt ein Dünnen des angebrachten transparenten dritten Materials 5 mit niedrigem Brechungsindex bis die Ober fläche 7 des strukturierten Oberflächenbereichs 9 eben und/oder glatt mit höchsten Erhebungen im ersten Material 1 des Halb leiterkörpers abschließt. Das dritte Material 5 kann als Schicht angebracht werden.
Ein Dünnen kann mittels chemisch-mechanischen Polierens (CMP) erfolgen .
Mögliche in einen Oberflächenbereich 9 eingeprägte Strukturen können zufällige Topologien sein, wie es beispielsweise aufge raute Oberflächen sind. Zufällige Topologien wie beispielsweise aufgeraute Oberflächen werden bei größeren LEDs bereits verwen det .
Eine Lichtauskopplung wird durch eine Auskoppelstruktur A mit planarisierter Oberfläche 7 verbessert. Dazu wird gemäß Fig. 14 zunächst das erste Material 1 des beispielsweise LED-Halblei- ters beziehungsweise LED-Rohchips direkt strukturiert.
Das zum Planarisieren verwendete transparente dritte Material 5 mit niedrigem Brechungsindex kann Si02 sein, und dieses kann insbesondere mittels TEOS (Tetraethylorthosilicat ) angebracht werden .
Der Brechungsindex, auch Brechzahl oder optische Dichte, früher auch Brechungszahl genannt, ist eine optische Materialeigen schaft. Er ist das Verhältnis der Wellenlänge des Lichts im Vakuum zur Wellenlänge im Material, und damit auch der Phasen geschwindigkeit des Lichts im Vakuum zu der im Material. Der Brechungsindex ist dimensionslos, und er ist im Allgemeinen von der Frequenz des Lichts abhängig, was Dispersion genannt wird. An der Grenzfläche zweier Medien unterschiedlicher Brechungs indizes wird Licht gebrochen und reflektiert. Dabei nennt man das Medium mit dem größeren Brechungsindex das optisch dichtere.
Kleine Brechungsindizes können insbesondere kleiner 1,5 sein. Weitere verwendbare Materialien mit kleinem Brechungsindex sind beispielsweise Kronglas mit einem Brechungsindex von beispiels weise 1,46, PMMA mit einem Brechungsindex von beispielsweise 1,49 und Quarzglas mit einem Brechungsindex von beispielsweise 1,46. Diese Brechungsindizes ergeben sich bei der Wellenlänge 589 nm der Natrium-D-Linie . Ein Brechungsindex von Siliziumdi oxid ist beispielsweise 1,458. Andere Materialien sind ebenso verwendbar .
Gleiche Bezugszeichen in allen Figuren kennzeichnen gleiche Merkmale .
Fig . 15 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer vorgeschla genen Vorrichtung.
Zur Verbesserung einer Lichtauskopplung kann alternativ zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 15 ein transparentes zweites Ma terial 3 mit einem großen Brechungsindex auf die Leuchtdiode aufgebracht und in geeigneter Weise strukturiert werden. Ein geeignetes zweites Material 3 mit hohem Brechungsindex ist zum Beispiel Nb205- Diese Alternative zeigen Fig. 15 und Fig. 16.
Ein großer Brechungsindex kann insbesondere größer 2 sein. Wei tere verwendbare Materialien mit großem Brechungsindex sind beispielsweise Zinksulfid mit einem Brechungsindex von bei spielsweise 2,37, Diamant mit einem Brechungsindex von bei spielsweise 2,42, Titandioxid mit einem Brechungsindex von bei spielsweise 2,52, Siliciumcarbid mit einem Brechungsindex von beispielsweise 2,65 und Titandioxid mit einem Brechungsindex von beispielsweise 3,10. Diese Brechungsindizes ergeben sich insbesondere bei der Wellenlänge 589 nm der Natrium-D-Linie . Ein Brechungsindex von Niob (V) -oxid ist beispielsweise 2,3. An dere Materialien sind ebenso verwendbar.
Es wird in einem Oberflächenbereich 9 eines die Vorrichtung bereitstellenden Halbleiterkörpers eine Auskopplungsstruktur A ausgebildet. Ebenso erfolgt hier ein Strukturieren des Oberflä chenbereichs 9.
Das Strukturieren des Oberflächenbereichs 9 erfolgt, wie es bei Fig . 14 ebenso der Fall ist, mittels Erzeugens einer zufälligen Topologie an dem Oberflächenbereich 9. Während gemäß Fig. 14 das Erzeugen der zufälligen Topologie mittels direkten Aufrau ens der Oberfläche 7 des Oberflächenbereichs 9 des ein erstes Material 1 aufweisenden Halbleiterkörpers ausgeführt wird, wird gemäß Fig. 15 die zufällige Topologie mittels, insbesondere schichtweisem, Anbringens eines einen großen Brechungsindex, insbesondere größer 2, aufweisenden transparenten zweiten Ma terials 3 an dem Oberflächenbereich 9 und Aufrauens des zweiten Materials 3 ausgebildet.
Es folgt ein Planarisieren mittels eines, insbesondere schicht weisem, Anbringens eines transparenten dritten Materials 5 mit niedrigem Brechungsindex, insbesondere kleiner 1,5, an dem strukturieren Oberflächenbereich 9. Das dritte Material 5 kann als Schicht angebracht werden. Danach wirdein Dünnen des ange brachten transparenten dritten Materials 5 mit niedrigem Bre chungsindex ausgeführt bis die Oberfläche 7 des strukturierten Oberflächenbereichs 9 eben und/oder glatt mit höchsten Erhebun gen in dem zweiten Material 3 mit hohem Brechungsindex ab schließt . Das transparente dritte Material 5 mit niedrigem Brechungsindex kann Si02 sein, und dieses wird insbesondere mittels TEOS (Tet- raethylorthosilicat ) angebracht. Das Dünnen kann mittels che misch-mechanischen Polierens (CMP) ausgeführt werden.
Fig. 16 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer vorgeschlagenen Vorrichtung .
Alternativ können zur Strukturierung eines Oberflächenbereichs 9 ebenso geordnete Topologien an dem Oberflächenbereich 9 er zeugt werden.
Das Erzeugen der geordneten Topologie wird hier mittels, ins besondere schichtweises, Anbringens eines einen großen Bre chungsindex, insbesondere größer 2, aufweisenden transparenten zweiten Materials 3 an dem Oberflächenbereich 9 und Einstruk- turierens periodischer photonischer Kristalle oder nicht-peri odischer photonischer Strukturen, insbesondere quasiperiodi scher oder deterministischer aperiodischer photonischer Struk turen, in das zweite Material 3 ausgeführt.
Alternativ können periodische photonische Kristalle oder nicht periodische photonische Strukturen, insbesondere quasiperiodi sche oder deterministische aperiodische photonische Strukturen, grundsätzlich direkt, ohne ein zweites Material 3, in das erste Material 1 des Halbleiterkörpers einstrukturiert werden. Es kann dabei eine Vorrichtung mit einer Auskopplungsstruktur A ausge bildet werden, wobei ein transparentes drittes Material 5 mit kleinem Brechungsindex, insbesondere SiÜ2, an einem ersten Ma terial 1 eines Halbleiters eines Bauelements angebracht wurde und in das erste Material 1 periodische photonische Kristalle oder nicht-periodische photonische Strukturen, insbesondere quasiperiodische oder deterministische aperiodische photonische Strukturen einstrukturiert sein können. Photonische Kristalle bestehen aus strukturierten Halbleitern, Gläsern oder Polymeren und werden meist durch die aus der Mik roelektronik bekannten Verfahren hergestellt. Sie zwingen das Licht mittels ihrer spezifischen Struktur dazu, sich in der für die Bauteilfunktion notwendigen Art und Weise im Medium auszu breiten. Dadurch wird es nicht nur möglich, Licht auf Abmessun gen, welche in der Größenordnung der Wellenlänge liegen, zu führen, sondern auch zu filtern und wellenlängenselektiv zu reflektieren.
Es handelt sich um periodische dielektrische Strukturen, deren Periodenlänge so eingestellt ist, dass sie die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in ähnlicher Weise beeinflussen wie das periodische Potential in Halbleiterkristallen die Ausbrei tung von Elektronen. Sie zeigen daher einzigartige optische Eigenschaften, wie beispielsweise Bragg-Reflexion von sichtba rem Licht.
Insbesondere entsteht analog zur Ausbildung der elektronischen Bandstruktur eine photonische Bandstruktur, die Bereiche ver botener Energie aufweisen kann, in denen sich elektromagneti sche Wellen nicht innerhalb des Kristalls ausbreiten können (photonische Bandlücken, PBG = englisch: photonic band gap) . Photonische Kristalle können also in gewisser Weise als das optische Analogon zu elektronischen Halbleitern, also als „op tische Halbleiter" angesehen werden.
Nach einem Einstrukturieren von periodischen photonischen Kris tallen oder nicht-periodischen photonischen Strukturen, insbe sondere quasiperiodischen oder deterministischen aperiodischen photonischen Strukturen wird zum Planarisieren ein transparen tes drittes Material 5 mit kleinem Brechungsindex, insbesondere schichtweise, an den strukturierten Oberflächenbereich 9 ange bracht. Geeignet ist hierfür zum Beispiel Si02, das mithilfe von TEOS (Tetraethylorthosilicat) , abgeschieden wird. Das dritte Material 5 wird anschließend gedünnt, bis die Oberfläche 7 glatt mit den höchsten Erhebungen im hochbrechenden zweiten Material 3 abschließt.
Ein für ein Dünnen geeigneter Prozess ist chemisch-mechanisches Polieren (CMP) , um Schichten mit Dicken im Mikrometer- und Na nometerbereich gleichmäßig abzutragen. Die dadurch erzeugte Oberfläche ist eben und/oder glatt. Eine Rauigkeit liegt ins besondere im Bereich weniger Nanometer als Mittelrauwert (rms) . Die erzeugte planarisierte Oberfläche 7 kann mit der herkömm licher Weise verwendeten Stempeltechnik zum Transfer der Leucht dioden verwendet werden.
Auf diese Weise kann eine Auskoppeleffizienz im Vergleich zu einer unbearbeiteten Oberfläche verbessert werden. Ein Trans ferprozess mittels Stempeltechnologie bleibt weiterhin möglich.
Fig. 17 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines vorgeschlagenen Verfahrens .
Mit einem ersten Schritt S1 erfolgt zum Bilden einer Auskopp lungsstruktur A ein Strukturieren eines Oberflächenbereichs 9 eines die Vorrichtung bereitstellenden Halbleiterkörpers . Mit einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Planarisieren des struk turierten Oberflächenbereichs 9 zum Erhalten einer planarisier- ten Oberfläche 7 des Oberflächenbereichs 9. Das Planarisieren umfasst zwei Unterschritte.
Mittels eines ersten Unterschrittes S2.1 erfolgt ein, insbeson dere schichtweises, Anbringen eines transparenten dritten Ma terials 5 mit kleinem Brechungsindex, insbesondere kleiner 1,5, an dem strukturieren Oberflächenbereich 9.
Mittels eines zweiten Unterschrittes S2.2 erfolgt ein Dünnen des angebrachten transparenten dritten Materials 5 mit kleinem Brechungsindex bis die Oberfläche 7 des strukturierten Oberflä chenbereichs 9 eben und/oder glatt mit höchsten Erhebungen im ersten Material 1 des Halbleiterkörpers oder in dem zweiten Material 3 mit großem Brechungsindex abschließt.
Mit einem dritten Schritt S3 kann ein Transferieren der Vor richtung mittels Stempeltechnologie ausgeführt werden, wobei der Halbleiterkörper an der planarisierten Oberfläche 7 abge hoben wird.
Gemäß allen nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen können als Halbleitermaterialien insbesondere GaN-, AlInGaP-, A1N oder InGaAs-Materialsysteme verwendet werden.
Fig. 18a und 18b zeigen eine optoelektronische Vorrichtung zur Emission von Licht, das bevorzugt senkrecht aus einer Lichtaus trittsfläche 21 austritt . Die Vorrichtung umfasst ein Pixel aufweisendes Array 11, wobei optisch wirkende Nanostrukturen in Form eines photonischen Kristalls K über die gesamte emittie rende Oberfläche der Lichtaustrittsfläche 21 ausgebildet sind. Das Array 11 umfasst außerdem eine arrayartige Anordnung von Lichtquellen, die jeweils eine Rekombinationszone 2 aufweisen, welche in einer Rekombinationsebene 1 liegen.
Die Rekombinationszonen 2 sind in einer ersten Schicht optisch aktiven Halbleitermaterials 3 des Arrays 11 ausgebildet. In dieser Schicht mit dem Halbleitermaterial 3 ist der photonische Kristall bzw. sind die photonischen Kristallstrukturen K struk turiert, und zwar in Form eines zweidimensionalen photonischen Kristalls. Dabei liegt der photonische Kristall K zwischen den Rekombinationszonen 2 und der Lichtaustrittsfläche 21. Die pho tonischen Kristallstrukturen K können dabei unabhängig von der Positionierung einzelner Pixel angeordnet sein, wobei bei dem dargestellten Beispiel ein Pixel einer Lichtquelle mit einer Rekombinationszone 2 entspricht. Die optisch wirkenden photonischen Kristallstrukturen K sind freistehend in Luft oder, wie dargestellt, mit einem, insbeson dere elektrisch isolierenden und optisch transparenten ersten Füllmaterial 7, insbesondere Si02, mit einem Brechungsindex ver- füllt, der kleiner ist als der Brechungsindex des Halbleiter material 3. Das Füllmaterial 7 weist vorzugsweise auch einen kleinen Absorptionskoeffizienten auf.
Bei dem Array 11 sind zur elektrischen Kontaktierung der Licht quellen beide elektrischen Pole einer jeweiligen Lichtquelle mittels einer optisch spiegelnden Kontaktierungsschicht 5 elektrisch angeschlossen. Die Kontaktierungsschicht 5 befindet sich an einer den optisch wirkenden photonischen Kristallstruk turen K abgewandten Seite des optisch aktiven Halbleitermate rials 3 und ist gemäß der Darstellung der Fig. lb unten ange ordnet. Eine derartige Kontaktierung ermöglicht sehr stark lo kalisierte Rekombinationszonen 2. Die Kontaktierungsschicht 5 kann dabei wenigstens zwei elektrisch getrennte Bereiche auf weisen, um die Pole elektrisch getrennt voneinander anschließen zu können.
Der photonische Kristall K kann über die gesamte emittierende Oberfläche 21 so strukturiert werden, dass zumindest annähernd lediglich Licht mit einer Ausbreitungsrichtung senkrecht zur Oberfläche 21 das Bauteil verlassen kann. Wenn der photonische Kristall K nah an der Rekombinationsebene 1 liegt und die Schichtdicke des photonischen Kristalls K im Vergleich zum Ab stand zur Rekombinationszone 2 groß ist, wird zusätzlich die optische Zustandsdichte im Bereich der Lichterzeugung verän dert .
Dadurch kann eine vollständige Bandlücke für optische Moden mit Ausbreitungsrichtung parallel und unter kleinem Winkel zur Ober fläche des, insbesondere planaren, das heißt insbesondere ebe- nen und/oder glatten, Pixel aufweisenden Arrays 11 erzeugt wer den. Die Emission von Licht mit Ausbreitungsrichtung parallel zur emittierenden Oberfläche wird dann vollständig unterdrückt.
Insbesondere kann eine Lichterzeugung ausschließlich in einem begrenzten Emissionskegel erfolgen, der durch den photonischen Kristall K vorgegeben wird. Direktionalität ist in diesem Fall bereits auf der Ebene der Lichterzeugung sichergestellt, wodurch sich die Effizienz im Vergleich zu einem winkelselektiven op tischen Element wirksam vergrößert, da ein solches Element le diglich die Lichtauskopplung beeinflusst.
Die Ausrichtung des photonischen Kristalls K ist unabhängig von der Positionierung der einzelnen Pixel, insbesondere derart, dass eine Ausrichtung der Pixelstruktur zur photonischen Struk tur K nicht nötig und eine Prozessierung einer gesamten Wafer oberfläche möglich ist.
Vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung in seinen optischen Eigenschaften über die gesamte Oberfläche des Arrays 11 homogen ist oder lediglich geringfügig variiert, um die optische Umge bung des photonischen Kristalls K nicht zu stören.
Fig . 19a und 19b zeigen eine zweite vorgeschlagene optoelekt ronische Vorrichtung in einer Draufsicht bzw. im Querschnitt. In dem pixelierten Array 11 ist der photonische Kristall K alternativ zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 18a und 18b in einer zweiten Schicht aus einem Material 9, insbesondere Nb2Ü5, über einer ersten Schicht aus dem optisch aktiven Halbleiter material 3 angeordnet. Das Material 9 hat dabei einen großen optischen Brechungsindex, und es ist auf der ebenen und/oder glatten Oberfläche des Halbleitermaterials 3 angeordnet. Vor zugsweise weist das Material 9 auch eine geringe Absorption auf. Der photonische Kristall K kann wiederum freistehend als zwei dimensionaler photonischer Kristall aus dem erwähnten Material 9 ausgebildet sein, wobei sich dann Luft in dem Freiraum befin det. Wie dargestellt, kann der Freiraum wiederum mit einem Ma terial 7 mit kleinerem Brechungsindex verfällt sein. Ein mög liches Füllmaterial ist beispielsweise Si02.
Die Kontaktierung gleicht der nach Fig. 18a und 18b und ermög licht sehr stark lokalisierte Rekombinationszonen 2.
Fig. 20a und 20b zeigen eine dritte vorgeschlagene optoelekt ronische Vorrichtung in einer Draufsicht bzw. in einem Quer schnitt. Die dargestellte Vorrichtung umfasst als Lichtquellen eine Anordnung von vertikalen Leuchtdioden 13 und eine in einer darüber liegenden Schicht angeordnete zweidimensionale photo nische Kristallstruktur K, die sich unter der gesamten emittie renden Oberfläche 21 erstreckt und aus einem Material 9 mit hohem Brechungsindex gebildet ist. Die Freiräume der Struktur K ist wiederum mit Füllmaterial 7 mit niedrigerem optischen Brechungsindex gefüllt.
Die vertikalen Leuchtdioden 13 haben entlang einer vertikal orientierten Längsachse, die senkrecht zur Lichtaustrittsfläche 21 verläuft, einen oberen und einen unteren elektrischen Kon takt. Die Leuchtdioden weisen somit einen elektrischen Kontakt auf der Vorderseite und einen elektrischen Kontakt auf ihrer Rückseite auf. Als Rückseite wird hierbei die von der Lichtaus trittsfläche 21 abgewandte Seite der LEDs 13 bezeichnet, während die Vorderseite der Lichtaustrittsfläche 21 zugewandt ist.
Die Vorrichtung umfasst eine elektrisch leitende und das er zeugte Licht reflektierende Kontaktierungsschicht 5 zur elektrischen Kontaktierung der Kontakte auf der Rückseite der LEDs 13. Zur elektrischen Kontaktierung der Kontakte auf der Vorderseite der LEDs 13 ist eine dritte Schicht vorgesehen, die ein elektrisch leitfähiges und optisch transparentes Material 17, beispielsweise ITO, aufweist. Über einen Bonddraht 19 kann eine elektrische Verbindung zu dem entsprechenden Pol einer Stromquelle hergestellt werden.
In und entlang der Rekombinationsebene 1 kann zwischen der drit ten Schicht und der optisch reflektierenden Kontaktierungs schicht 5 ein weiteres, insbesondere elektrisch isolierendes, Füllmaterial 15 angeordnet sein.
Fig . 21a und 21b zeigen eine vierte vorgeschlagene optoelekt ronische Vorrichtung in einer Draufsicht und im Querschnitt. Die Vorrichtung umfasst eine Anordnung von horizontalen Leucht dioden (LEDs) 13 mit jeweiligen Rekombinationszonen 2 und eine optisch wirkende zweidimensionale photonische Kristallstruktur K unter der gesamten emittierende Oberfläche 21. Die photonische Kristallstruktur K liegt in einer Schicht aus einem Material 9 mit großem Brechungsindex, beispielsweise Nb205- Freiräume sind wiederum mit Füllmaterial 7, beispielsweise Siliziumdioxid, mit niedrigerem optischen Brechungsindex gefüllt.
Bei den horizontalen Leuchtdioden 13 liegen beide elektrischen Kontakte auf der Rückseite der Leuchtdioden 13. Jeweils beide Pole der LEDs 13 sind mittels elektrisch voneinander getrennter Bereiche der optisch reflektierenden Kontaktierungsschicht 5 elektrisch angeschlossen.
Im Bereich der Rekombinationsebene 1 ist zwischen der Materi alschicht 9 und der Kontaktierungsschicht 5 ein, insbesondere elektrisch isolierendes, Füllmaterial 15 angeordnet.
Die Effizienz in Bezug auf die Lichterzeugung kann bei den Ausgestaltungen gemäß der Fig. 18a bis 21b verhältnismäßig hoch sein, da bei diesen Ausführungsbeispielen bereits bei der Lich terzeugung Direktionalität beziehungsweise Gerichtetheit des Lichts erreicht werden kann, insbesondere wenn mittels der Band struktur des photonischen Kristalls K eine höhere photonische Zustandsdichte im Bereich der Rekombinationszonen 2 für die Emission von Licht in Richtung senkrecht zur Lichtaustrittsflä che erreicht werden kann. Ein weiterer Vorteil kann darin lie gen, dass die Strukturierung des photonischen Kristalls K ho mogen über einen gesamten Wafer erfolgen kann. Eine bestimmte Positionierung oder Orientierung des photonischen Kristalls zu den einzelnen Pixeln oder Leuchtdioden ist nicht erforderlich. Dadurch kann die Herstellungskomplexität deutlich reduziert werden, insbesondere im Vergleich zu alternativen Ansätzen, bei denen Strukturen individuell über jeden Pixel platziert werden.
Fig . 22a und 22b zeigen eine fünfte vorgeschlagene optoelekt ronische Vorrichtung in einer Draufsicht und im Querschnitt. Die Vorrichtung umfasst ein pixeliertes Array 11 und optisch wirkende Pillarstrukturen P, insbesondere mit Pillars oder Säu len, die über die gesamte emittierende Oberfläche 21 struktu riert sind. Das Array 11 ist bevorzugt glatt und eben.
Das pixelierte Array 11 umfasst Pixel mit jeweils einer Licht quelle, die eine jeweilige Rekombinationszone 2 umfasst. Die Rekombinationszonen 2 der Pixel liegen dabei in einer Rekombi nationsebene 1 und sie sind in einer ersten Schicht mit optisch aktivem Halbleitermaterial 3 angeordnet.
Über dieser ersten Schicht sind die Pillarstrukturen P ausge bildet. Ein Pillar P ist dabei einer Lichtquelle zugeordnet, so dass jeder Pillar P direkt über der Rekombinationszone 2 der zugeordneten Lichtquelle angeordnet ist. Eine Längsachse L ei nes jeweiligen Pillars P verläuft dabei insbesondere durch die Mitte M der Rekombinationszone 2 der zugeordneten Lichtquelle 2. Die Pillars P bestehen aus einem Material 9 mit hohem Brechungs index, zum Beispiel Nb20s. In die Zwischenräume zwischen den Pillars P kann ein Füllmaterial 7 mit niedrigerem Brechungsindex angeordnet sein, wie zum Beispiel Siliziumdioxid.
Die Pillars P können über der Schicht mit den Lichtquellen angeordnet sein, insbesondere indem die Pillars P über dem Array 11 zusätzlich aufgebracht werden. Alternativ können die Pillars in das Halbleitermaterial 3 geätzt werden. Dazu muss die Halb leitermaterialschicht entsprechend hoch ausgestaltet sein. Da das Halbleitermaterial normalerweise einen hohen Brechungsindex aufweist, kann Material derart weggeätzt werden, dass die Pil lars 9 stehen bleiben. Die durch das Ätzen frei gewordenen Bereiche können mit Material mit niedrigem Brechungsindex auf gefüllt werden.
Die Pillars P wirken wie Wellenleiter, welche Licht in Richtung der Längsachse L nach oben leiten, so dass die Pillars P eine verbesserte Abstrahlung von Licht in einer Richtung senkrecht zur Lichtaustrittsfläche 21 bewirken können.
Bei dem Array 11 sind zur elektrischen Kontaktierung der Licht quellen mit den Rekombinationszonen 2 jeweils beide elektrischen Pole einer Lichtquelle mittels einer spiegelnden Kontaktie rungsschicht 5 elektrisch angeschlossen. Die Kontaktierungs schicht 5 ist an einer den optisch wirkenden Pillarstrukturen P abgewandten Seite des Halbleitermaterials 3 ausgebildet. Die Kontaktierungsschicht 5 kann zwei getrennte Bereiche aufweisen, um die beiden Pole getrennt voneinander elektrisch kontaktieren zu können. Eine derartige Art der Kontaktierung ermöglicht sehr stark lokalisierte Rekombinationszonen 2.
Fig. 23a und 23b zeigen eine sechste vorgeschlagene optoelekt ronische Vorrichtung in einer Draufsicht und im Querschnitt. Die Vorrichtung umfasst eine Anordnung von vertikalen Leucht dioden 13, die auch als LEDs bezeichnet werden. Optisch wirkende Pillarstrukturen P, insbesondere mit Pillars oder Säulen, sind über der Anordnung mit Leuchtdioden 13 angeordnet. Dabei ver läuft die Längsachse L der Pillars P zumindest im Wesentlich durch die Mittelpunkte der Rekombinationszonen 2 der LEDs 13.
Die Pillarstrukturen P können freistehend in Luft oder verfüllt mit einem, insbesondere elektrisch isolierenden und optisch transparenten, ersten Füllmaterial 7 über den Leuchtdioden an geordnet sein. Das Füllmaterial 7 kann einen kleineren Bre chungsindex als der Brechungsindex des Materials 9 der Pillars P und/oder des Halbleitermaterial 3 der LEDs 3 aufweisen.
Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei den LEDs um vertikale Leuchtdioden 13. Diese weisen einen, insbesondere positiven, elektrischen Pol an ihrer der spiegelnden Kontaktierungsschicht 5 zugewandten Rückseite sowie einen weiteren elektrischen Pol an der den Pillars P zugewandten Vorderseite auf.
Der Pol an der Vorderseite der Lichtquellen ist mittels einer Schicht eines elektrisch leitfähigen und optisch transparenten Materials 17, insbesondere ITO, und mittels eines Kontaktdrahts 19 elektrisch mit einer entsprechenden Stromversorgung (nicht gezeigt) verbunden. Die Schicht mit dem Material 17 ist zwischen den Lichtquellen und den Pillars 17 angeordnet, wie dargestellt.
Dabei kann in Freiräumen in der Schicht der LEDs 13 und somit zwischen der Schicht mit dem Material 17 und der Kontaktie rungsschicht 5 ein zweites Füllmaterial 15 angeordnet sein.
Die Dimensionierung der Pillarstrukturen P kann der Dimensio nierung der Leuchtdioden 13 oder der Pixel eines Arrays 11 entsprechen . Fig . 24a und 24b zeigen eine siebte vorgeschlagene optoelekt ronische Vorrichtung in einer Draufsicht und im Querschnitt. Im Unterschied zu der Variante der Fig. 23a und 23b umfasst die Vorrichtung gemäß den Fig. 24a und 24b eine Anordnung von ho rizontalen Leuchtdioden 13, deren elektrischen Pole auf der Rückseite der Leuchtdioden 13 liegen. Zur elektrischen Kontak tierung können daher beide elektrischen Pole einer Lichtquelle über zwei elektrisch voneinander getrennte Bereiche der spie gelnden Kontaktierungsschicht 5 elektrisch angeschlossen wer den. Die Zwischenschicht mit dem Material 17 wie bei der vor stehend beschriebenen Variante mit vertikalen Leuchtdioden wird daher nicht benötigt.
Im Vergleich zu den Anordnungen mit den photonischen Kristall strukturen K gemäß den Fig. 18 bis 21 ist bei den Varianten mit den Pillars P die Herstellung mit Standardtechnologien in ein facherer Weise möglich, da die Strukturgrößen mit Durchmessern bis 1 pm oder darüber deutlich größer sind. Die Prozessanfor derungen sind dadurch geringer und eine hochauflösende Litho graphie kann zur Herstellung der Pillars ausreichen.
Pillarstrukturen, insbesondere Pillars oder Säulen, aus dem op tisch aktiven Halbleitermaterial 3 oder einem Material 9 mit einem möglichst hohen Brechungsindex können passgenau über in dividuelle Pixel des Arrays 11 oder über vertikale Leuchtdioden 13 (Fig. 23a und 23b) oder über horizontale Leuchtdioden 13 (Fig. 24a und 24b) strukturiert werden. Die individuellen Pixel oder Leuchtdioden 13 können kleiner als 1 pm im Durchmesser sein, und die Pillars können ein Aspektverhältnis Höhe: Durch messer von mindestens 3:1 haben. Die Pillars sind vorzugsweise direkt in das Halbleitermaterial 3 geätzt, wie bei Fig. 22a und b und bei Fig. 24a und b möglich, da keine dritte Schicht 17 gemäß Fig. 23b ausgebildet ist, oder sie bestehen aus einem anderen Material 9 mit großem Brechungsindex und vorzugsweise geringer Absorption, das auf die Oberfläche des Arrays 11 auf gebracht wird. Ein mögliches Material mit großem Brechungsindex ist beispielsweise Nb20s. Die Pillarstrukturen können freiste hend oder mit einem Material 7 mit kleinem Brechungsindex ver fällt sein. Ein mögliches Füllmaterial mit niedrigem Brechungs index ist beispielsweise Si02. Durch den größeren Brechungsindex der Pillars im Vergleich zum umgebenden Material wird die Emis sion parallel zur Längsachse der Pillars im Vergleich zu anderen Raumrichtungen verstärkt. Durch einen Wellenleiter-Effekt wird Licht entlang der Längsachse der Pillars zusätzlich effizienter ausgekoppelt als Licht mit anderen Ausbreitungsrichtungen. Dadurch kann die Direktionalität beziehungsweise Gerichtetheit des emittierten Lichts verbessert werden.
Fig. 25a und 25b zeigen eine achte vorgeschlagene optoelektro nische Vorrichtung in einer Draufsicht und im Querschnitt. Die Vorrichtung umfasst eine Anordnung von Leuchtdioden 13, die jeweils als Pillar P und somit in Säulenform ausgebildet sind.
Die Länge der Pillars P kann einer halben Wellenlänge des emit tierten Lichts im Halbleitermaterial 3 entsprechen und die Re kombinationszone 2 kann vorzugsweise in der Mitte M eines je weiligen Pillars und damit in einem lokalen Maximum der photo- nischen Zustandsdichte liegen. Das Aspektverhältnis Höhe: Durch messer der Pillars P kann mindestens 3:1 sein.
In der gezeigten Anordnung können die Pillars P circa 100 nm hoch sein und einen Durchmessser von lediglich circa 30 nm aufweisen. Dies erfordert eine sehr fein aufgelöste Strukturie rungstechnik und ist mit aktuellen Fertigungstechnologien auf Waferlevel mit Aufwand umsetzbar.
Als Alternative können die Abmessungen hochskaliert werden, um die Herstellung zu vereinfachen, wobei die Direktionalität des emittierten Lichts mit zunehmender Größe der Pillarsstrukturie- rung abnimmt. Die Länge der Pillars P ist bevorzugt ein Viel faches der halben Wellenlänge des emittierten Lichts im Halb leitermaterial, und die jeweilige Rekombinationszone 2 kann in einem Maximum der photonischen Zustandsdichte liegen.
Durch die Pillarstrukturierung der Leuchtdioden 13 wird die Emission parallel zur Längsachse der Pillars P durch die größere photonische Zustandsdichte wirksam verstärkt. Durch einen Wel lenleiter-Effekt wird Licht mit Ausbreitungsrichtung entlang der Längsachse der Pillars P zusätzlich effizienter ausgekop pelt als Licht mit anderen Ausbreitungsrichtungen. Der Zwi schenraum zwischen den Pillars P ist mit einem Material 7 ver fällt, das vorzugsweise einen sehr kleinen Absorptionskoeffi- zienten und einen kleineren Brechungsindex aufweist als das Halbleitermaterial 3. Ein mögliches Füllmaterial mit kleinem Brechungsindex ist beispielsweise Si02.
Bei dieser Anordnung von als Pillars P oder Säulen geformten, insbesondere vertikalen, Leuchtdioden 13 wird zur Kontaktierung von in einer Rekombinationsebene 1 angeordneten Rekombinations zonen 2 jeweils ein, insbesondere positiver, erster Pol mittels einer spiegelnden Kontaktierungsschicht 5 elektrisch ange schlossen. Die Kontaktierungsschicht 5 ist an den unteren, ers ten Längsenden der Leuchtdioden 13 ausgebildet.
Der jeweils andere, insbesondere negative, zweite Pol ist an einer dritten Schicht eines leitfähigen transparenten Materials 17, insbesondere ITO, elektrisch angeschlossen und mittels ei nes Bonddrahts 19 beispielsweise mit dem entsprechenden Pol einer Stromversorgung verbunden.
Gemäß dieser Anordnung ist die dritte Schicht in und entlang der Rekombinationsebene 1 in den Längsmitten der als Pillars P oder Säulen geformten Leuchtdioden 13 ausgebildet. Fig . 26a und 26b zeigen eine neunte vorgeschlagene optoelekt ronische Vorrichtung in einer Draufsicht und im Querschnitt. Im Gegensatz zu der Variante der Fig. 25a und 25b weist die Vor- richtung gemäß Fig. 26a und 26b vertikale LEDs auf, die als Pillars P ausgebildet sind.
Der unten liegende elektrische Kontakt, insbesondere der p- Kontakt, wird über die Unterseite der Pillars P und insbesondere durch Kontaktierung der Kontaktierungsschicht 5 hergestellt.
Der oben liegende elektrische Kontakt, insbesondere der n-Kon- takt, liegt auf der Oberseite der Pillars P. Der Kontakt wird über eine obere Schicht mit optisch transparentem und elektrisch leitfähigem Material 17 hergestellt. Die obere Schicht erstreckt sich über den Pillars P und dem ersten Füllmaterial 7, mit dem die Freiräume zwischen den Pillars P verfüllt sind. Ein mögli ches Material 17 für die obere Schicht ist beispielsweise ITO ( Indium-Zinn-Oxid) . Über den Bonddraht 19 kann eine Verbindung zu einer Stromversorgung hergestellt werden.
Die elektrische Kontaktierung der Leuchtdioden in den Pillars P ermöglicht sehr stark lokalisierte Rekombinationszonen 2, wo bei der obere Kontakt, insbesondere ein n-Kontakt, auf der Höhe der Rekombinationszonen 2 oder auf der Oberseite der Pillars P ausgebildet sein kann. Jeder Pillar P erzeugt einen individu ellen Pixel.
Die Emission von Licht parallel zur Längsachse der Leuchtdioden 13 in Form von Pillars gemäß Fig. 25a bis 26b wird erhöht.
Dadurch verbessert sich die Direktionaliät des emittierten Lichts im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtdioden mit kleinem Aspektverhältnis. Im Vergleich zu einer Anordnung gemäß den Fig. 22a bis 24b kann der Prozess der Lichterzeugung durch eine Anordnung gemäß den Fig. 25a bis 26b deutlich stärker beein flusst werden, wodurch eine hohe Direktionaliät und Effizienz erreicht werden kann.
Fig. 27 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren opto elektronischen Vorrichtung, bei der ein zweidimensionaler pho- tonischer Kristall K über einer Schicht mit einer arrayartigen Anordnung von Lichtquellen mit Rekombinationszonen 2 angeordnet ist. Der photonische Kristall K ist dabei derart nah an den Rekombinationszonen 2 angeordnet, dass der photonische Kristall K eine im Bereich der Rekombinationszonen 2 vorhandene optische Zustandsdichte verändert, und zwar insbesondere derart, dass eine Bandlücke für wenigstens eine optische Mode mit einer Aus breitungsrichtung parallel und/oder unter kleinem Winkel zur Lichtaustrittsfläche 21 erzeugt wird und/oder die Zustands dichte für wenigstens eine optische Mode mit einer Ausbrei tungsrichtung senkrecht zur Lichtaustrittsfläche 21 erhöht wird .
Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Höhe H des photonischen Kristalls K mindestens 300 bis 500 nm, be vorzugt bis zu 1 pm, beträgt. Die Höhe H des photonischen Kris talls kann abhängig sein von dem Material mit hohem Brechungs index des photonischen Kristalls.
Außerdem ist bevorzugt ein Abstand A zwischen der Mitte M der Rekombinationszonen 2 und der Unterseite des photonischen Kris talls K höchstens 1 pm und bevorzugt wenige nm.
Bei allen beschriebenen Ausgestaltungen mit einem photonischen Kristall K handelt es sich vorzugsweise um einen zweidimensio nalen photonischen Kristall, der eine periodische Variation des optischen Brechungsindex in zwei senkrecht zueinander verlau fenden Raumrichtungen aufweist, die parallel zur Lichtaus trittsfläche verlaufen. Ferner handelt es sich vorzugsweise um Pillarstrukturen, die eine arrayartige Anordnung von Pillars P bzw. Säulen aufweisen, wobei die Längsachse L der Pillars P senkrecht zur Lichtaustrittsfläche 21 verläuft. Mögliche Anwendungsfelder von hierin beschriebenen Vorrichtun gen liegen zum Beispiel im Bereich Automotive, Beleuchtungen jeglicher Art, Unterhaltungselektronik, Videowalls.
Merkmale, die in Zusammenhang mit einer Ausführungsform und/o- der einem Anspruch genannt werden, können auch mit anderen Aus führungsformen und/oder Ansprüchen kombiniert werden, selbst wenn diese nicht im Zusammenhang mit diesen genannt sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Beleuchtungseinheit umfassend:
wenigstens eine optoelektronische Emittereinheit (13), welche über eine Lichtaustrittsfläche (15) elektro magnetische Strahlung (19) emittiert, und
eine photonische Struktur (17) zur Strahlformung der elektromagnetischen Strahlung (19), bevor diese über die Lichtaustrittsfläche (15) austritt,
wobei die photonische Struktur (17) die elektromag netische Strahlung (19) derart formt, dass die elektromag netische Strahlung (19) ein bestimmtes Fernfeld (21) auf weist .
2. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
es sich bei der photonischen Struktur (17) um eine eindi mensionale photonische Struktur, insbesondere einen eindi mensionalen photonischen Kristall (25), handelt.
3. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die photonische Struktur (17) derart ausgebildet ist, ins besondere als eindimensionaler photonischer Kristall (25), dass die abgestrahlte elektromagnetische Strahlung (19) in einer ersten Raumrichtung (RI) zumindest näherungsweise kollimiert ist.
4. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Hauptabstrahlrichtung (H) gesehen nachgeordnet zur Lichtaustrittsfläche (15) eine kollimierende Optik (35) an geordnet ist, wobei die Optik (35) dazu ausgebildet ist, die elektromagnetische Strahlung (19) in einer weiteren, zweiten Raumrichtung (R2), welche orthogonal zu der ersten Raumrichtung (RI) verläuft, zu kollimieren.
5. Beleuchtungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprü- che,
dadurch gekennzeichnet, dass
die, insbesondere als eindimensionaler photonischer Kris tall (25) ausgebildete, photonische Struktur (17) derart ausgestaltet ist, dass eine Hauptabstrahlrichtung (H) der elektromagnetischen Strahlung (19) in einem Winkel (oi) zur
Normalen (N) der Lichtaustrittsfläche (15) verläuft, wobei der Winkel (oi) ungleich null Grad ist.
6. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die als eindimensionaler photonischer Kristall (25) ausge bildete photonische Struktur (17) in einer Schicht unter halb der Lichtaustrittsfläche (15) angeordnet ist, wobei der eindimensionale photonische Kristall (25) eine sich in einer ersten Richtung (RI) erstreckende, periodisch wie derholende Abfolge von zwei Materialen (31, 33) mit unter schiedlichem optischen Brechungsindex aufweist, wobei die Materialien (31, 33) aneinander anstoßende Grenzflächen aufweisen, die nicht orthogonal, sondern geneigt zur Licht austrittsfläche (15) verlaufen.
7. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
es sich bei der photonischen Struktur (17) um eine zweidi- mensionale photonische Struktur, insbesondere einen zwei dimensionalen photonischen Kristall (37), handelt.
8. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die zweidimensionale photonische Struktur (37) derart aus gestaltet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (19) ein definiertes, insbesondere ein diskretes, Muster (39) im Fernfeld (21) erzeugt.
9. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die photonische Struktur (17) in einer Schicht, insbeson dere einer Halbleiterschicht, unterhalb der Lichtaustritts fläche (15) angeordnet ist, und/oder
die photonische Struktur (17) in einer Halbleiterschicht der optoelektronischen Emittereinheit (13) ausgebildet ist, und/oder
die optoelektronische Emittereinheit (13) eine Schicht mit Konvertermaterial umfasst und die photonische Struktur (17) in der Schicht mit Konvertermaterial oder in einer Schicht zwischen der Schicht mit Konvertermaterial und der Licht austrittsfläche (15) ausgebildet ist.
10. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden An sprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
es sich bei der photonischen Struktur (17), insbesondere anstelle eines photonischen Kristalls, um eine quasiperio dische oder deterministisch aperiodische photonische Struk tur handelt.
11. Oberflächentopographie-Erkennungssystem, mit:
einer Beleuchtungseinheit (11), die umfasst:
wenigstens eine optoelektronische Emitterein heit (13), welche über eine Lichtaustrittsfläche (15) elektromagnetische Strahlung (19) emittiert, und eine photonische Struktur (17) zur Strahlfor mung der elektromagnetischen Strahlung (19), bevor diese über die Lichtaustrittsfläche (15) austritt,
wobei die photonische Struktur (17) die elekt romagnetische Strahlung (19) derart formt, dass die elekt romagnetische Strahlung (19) ein bestimmtes Fernfeld (21) aufweist ,
wobei es sich bei der photonischen Struktur (17) um eine zweidimensionale photonische Struktur, insbe sondere einen zweidimensionalen photonischen Kristall (37), handelt, und
wobei die zweidimensionale photonische Struktur (37) derart ausgestaltet ist, dass die elektromagnetische Strahlung (19) ein definiertes, insbesondere ein diskretes, Muster (39) im Fernfeld (21) erzeugt, und
wobei das Oberflächentopographie-Erkennungssystem (43) ferner aufweist:
eine Detektionseinheit (45), insbesondere mit einer Kamera (37), die zur Erfassung des Musters (39) im Fernfeld (21) ausgebildet ist.
12 Oberflächentopographie-Erkennungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
dieses eine Analyseeinrichtung (49) umfasst, welche dazu ausgebildet ist, eine Verzerrung des Musters (39) in Bezug auf ein vorgegebenes Referenzmuster zu ermitteln.
13. Oberflächentopographie-Erkennungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die Analyseeinrichtung (49) ausgebildet ist, in Abhängig keit von der ermittelten Verzerrung eine Form und/oder eine Struktur eines von dem Muster (39) ausgeleuchteten Objekts zu bestimmen.
14. Scanner zum Scannen eines Objekts, umfassend wenigstens eine Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
15. Beleuchtungseinheit (1) mit wenigstens einer Emittereinheit
(2), die über eine Lichtaustrittsfläche (3) Strahlung emit tiert, und mit einem Polarisationselement (4), das wenigs tens abschnittsweise an die Lichtaustrittsfläche (3) an schließt und eine Polarisation und/oder eine Intensität ei- ner von der Emittereinheit (2) ausgehenden Strahlung bei
Durchtritt der Strahlung durch das Polarisationselement (4) ändert,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Polarisationselement (4) eine photonische Struktur auf- weist.
16. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
es sich um eine dreidimensionale photonische Struktur han delt und/oder dass das Polarisationselement (4) in Form einer Schicht ausgeführt ist, die wenigstens bereichsweise auf der Lichtaustrittsfläche (3) angeordnet ist.
17. Beleuchtungseinheit nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Emittereinheit (2) wenigstens eine LED (5) aufweist.
18. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass
die Emittereinheit (2) eine LED (5) aufweist, die Licht, insbesondere rotes, grünes, blaues, ultraviolettes, oder infrarotes Licht, emittiert, welches in das Polarisations element (4) eingestrahlt wird, und dass das Polarisations element (4) die Strahlung bei Durchgang durch das Polari- sationselement (4) in eine Schwingungsrichtung polarisiert.
19. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass
das Polarisationselement (4) spiral- und/oder stäbchenför mige Strukturelemente (6) aufweist.
20. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass
die Emittereinheit (2) zumindest ein Konverterelement (7) mit einem Konvertermaterial aufweist, das angeregt durch von einer LED (5) ausgehende Anregungsstrahlung (8) eine konvertierte Strahlung (9) emittiert.
21. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass
das Polarisationselement (4) wenigstens einen dreidimensi onalen photonischen Kristall (11) aufweist.
22. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass
das Polarisationselement (4) wenigstens zwei entlang eines Strahlengangs der das Polarisationselement (4) durchdrin genden Strahlung hintereinander angeordnete zweidimensio nale photonische Kristalle aufweist.
23. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass
das Polarisationselement (4) in Abhängigkeit einer Wellen länge der Strahlung, die durch das Polarisationselement (4) tritt, wenigstens zwei unterschiedliche Polarisationsei- genschaften und/oder Transmissionsgrade aufweist.
24. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass
die Emittereinheit (2) eine LED (5) und ein Konverterele ment (7) mit einem Konvertermaterial aufweist, das angeregt durch von der LED (5) ausgehenden Anregungsstrahlung (8) eine konvertierte Strahlung (9) emittiert, und dass auf das Polarisationselement (4) auftreffende Anregungsstrahlung (8) bei Durchtritt durch das Polarisationselement (4) im Vergleich zu durchtretender konvertierter Strahlung (9) an ders polarisiert und/oder unterschiedlich stark absorbiert wird .
25. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass
die Emittereinheit (2) eine LED (5) aufweist und eine drei dimensionale Struktur des Polarisationselements (4) wenigs tens teilweise in eine an die Lichtaustrittsfläche (3) an grenzende Halbleiterschicht der LED (5) eingebracht ist.
26. Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass
es sich um eine dreidimensionale photonische Struktur (11) handelt und Konvertermaterial (13) in der dreidimensionalen photonischen Struktur (11) angeordnet ist.
27. Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtungseinheit (1) mit wenigstens einer Emittereinheit (2), die über eine Licht austrittsfläche (3) Strahlung emittiert, und mit einem Po- larisationselement (4), das wenigstens abschnittsweise an die Lichtaustrittsfläche (3) anschließt und eine Polarisa tion und/oder eine Intensität einer von der Emittereinheit (2) ausgehenden Strahlung bei Durchtritt der Strahlung durch das Polarisations-element (4) ändert,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Emittereinheit (2) ein Chip mit einer LED (5) bereit gestellt wird, auf dessen Lichtaustrittsfläche (3) als Po larisationselement (4) eine insbesondere dreidimensionale photonische Struktur, insbesondere im Wege der Zwei-Photon- Lithographie oder des Glancing-Angle-Deposition, aufge bracht und/oder die photonische Struktur in einer an die Lichtaustrittsfläche anschließenden Halbleiterschicht der LED (5) angeordnet wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet, dass
die photonische Struktur in Abhängigkeit der Wellenlänge der von der LED (5) emittierten Strahlung dimensioniert wird .
29. Verwendung einer Beleuchtungseinheit (1) nach einem der An sprüche 15 bis 26 in einer Vorrichtung zur Erzeugung drei dimensionaler Bilder.
30. Verwendung nach Anspruch 29,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beleuchtungseinheit (1) nach einem der Ansprüche 15 bis 26 zur computergestützten Erzeugung dreidimensionaler Bil der eingesetzt wird.
31. Konverterelement (1) für ein optoelektronisches Bauelement, das wenigstens eine Schicht (2) mit einem Konvertermaterial aufweist, das bei Anregung durch eine auftreffende Anre gungsstrahlung eine konvertierte Strahlung in einen Ab strahlbereich (3) emittiert,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (2) zumindest be reichsweise eine Struktur (4), auf der wenigstens ab schnittsweise das Konvertermaterial angeordnet ist, auf weist und die derart ausgeführt ist, dass die Strahlung als gerichtetes Strahlenbündel in den Abstrahlbereich (3) emit tiert wird.
32. Konverterelement nach Anspruch 31,
dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (4) quasiperiodisch oder deterministisch ape riodisch ausgeführt ist.
33. Konverterelement nach Anspruch 31 oder 32,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schicht (2) wenigstens einen photonischen Kristall, eine quasiperiodische photonische Struktur oder eine de terministisch aperiodische photonische Struktur aufweist.
34. Konverterelement nach einem der Ansprüche 31 bis 33,
dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (4) wenigstens eine Vertiefung aufweist, in der sich das Konvertermate rial befindet.
35. Konverterelement nach einem der Ansprüche 31 bis 34,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schicht (2) eine optische Bandlücke aufweist.
36. Konverterelement nach einem der Ansprüche 31 bis 35,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Struktur (4) eine mittlere Dicke von wenigstens 500 nm aufweist.
37. Konverterelement nach einem der Ansprüche 31 bis 36,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schicht (2) mit der Struktur (4) derart ausgeführt ist, dass das gerichtete Strahlenbündel senkrecht zu einer Ebene, in der die Schicht (2) angeordnet ist, emittiert wird .
38. Konverterelement nach einem der Ansprüche 31 bis 37,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest auf einer Seite der Schicht (2) ein optisches Filterelement (5) angeordnet ist.
39. Strahlungsquelle (6) mit einer LED (7) und mit einem Kon verterelement (1) nach einem der Ansprüche 31 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass
die LED (7) dazu ausgebildet ist, eine Anregungsstrahlung in das Konverterelement (1) einzustrahlen, und wobei das Konverterelement (1) wenigstens eine Schicht (2) mit einem Konvertermaterial aufweist.
40. Strahlungsquelle nach Anspruch 39,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schicht (2) Teil eines Halbleitersubstrats (8) der LED ( 7 ) ist .
41. Strahlungsquelle nach Anspruch 39 oder 40,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Struktur in das Halbleitersubstrat (8) der LED (7) ausgebildet ist.
42. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 39 bis 41,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Struktur (4) mit dem Konvertermaterial derart ausge führt ist, dass die konvertierte Strahlung senkrecht zu einer Ebene, in der das Halbleitersubstrat (8) angeordnet ist, in den Abstrahlbereich (3) emittiert wird.
43. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 39 bis 42,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Struktur (4) wenigstens teilweise in einer aktiven Schicht (9) der LED (7) angeordnet ist.
44. Verfahren zur Herstellung einer Strahlungsquelle (6) nach einem der Ansprüche 39 bis 43,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Struktur (4) durch wenigstens einen Ätzschritt in ei nem Halbleitersubstrat (8) der LED (7) ausgebildet wird.
45. Verfahren nach Anspruch 44,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Struktur (4) wenigstens teilweise mit dem Konverter material gefüllt wird.
46. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, insbesondere eines elektronischen Bauelements, insbesondere eines opto elektronischen Bauelements, insbesondere einer Leuchtdi ode ,
gekennzeichnet durch
Erzeugen einer Auskopplungsstruktur (A) in einem Oberflä chenbereich (9) eines die Vorrichtung bereitstellenden Halbleiterkörpers mittels
Strukturierens (Sl) des Oberflächenbereichs (9) und Planarisierens ( S2 ) des strukturierten Oberflächenbe reichs (9) zum Erhalten einer planarisierten Oberfläche (7) des Oberflächenbereichs (9) .
47. Verfahren gemäß Anspruch 46,
gekennzeichnet durch
Strukturieren des Oberflächenbereichs (9) mittels Erzeu gens einer zufälligen Topologie an dem Oberflächenbereich (9) .
48. Verfahren gemäß Anspruch 47,
gekennzeichnet durch
Erzeugen der zufälligen Topologie mittels direkten Auf rauens der Oberfläche (7) des Oberflächenbereichs (9) des ein erstes Material (1) aufweisenden Halbleiterkörpers.
49. Verfahren gemäß Anspruch 47,
gekennzeichnet durch
Erzeugen der zufälligen Topologie mittels, insbesondere schichtweises, Anbringens eines einen großen Brechungsin dex, insbesondere größer 2, aufweisenden transparenten zweiten Materials (3) an dem Oberflächenbereich (9) und Aufrauens des zweiten Materials (3) .
50. Verfahren gemäß Anspruch 46,
gekennzeichnet durch
Strukturieren des Oberflächenbereichs (9) mittels Erzeu gens einer geordneten Topologie an dem Oberflächenbereich (9) .
51. Verfahren gemäß Anspruch 50,
gekennzeichnet durch
Erzeugen der geordneten Topologie mittels, insbesondere schichtweisem, Anbringens eines einen großen Brechungsin dex, insbesondere größer 2, aufweisenden transparenten zweiten Materials (3) an dem Oberflächenbereich (9) und Einstrukturierens periodischer photonischer Kristalle o- der nicht-periodischer photonischer Strukturen, insbeson dere quasiperiodischer oder deterministischer aperiodi scher photonischer Strukturen, in das zweite Material (3) .
52. Verfahren gemäß Anspruch 49 oder 51,
dadurch gekennzeichnet, dass
das transparente zweite Material (3) mit dem großen Bre chungsindex Nb205 aufweist.
53. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche 46 bis 52, gekennzeichnet durch
Planarisieren mittels eines ersten Unterschrittes (S2.1) eines, insbesondere schichtweisen, Anbringens eines trans parenten dritten Materials (5) mit kleinem Brechungsindex, insbesondere kleiner 1,5, an dem strukturieren Oberflä chenbereich (9) .
54. Verfahren gemäß Anspruch 53,
gekennzeichnet durch Planarisieren mittels eines zweiten Unterschrittes (S2.2) eines Dünnens des angebrachten transparenten dritten Ma terials (5) mit kleinem Brechungsindex bis die Oberfläche (7) des strukturierten Oberflächenbereichs (9) eben und/o- der glatt mit höchsten Erhebungen im ersten Material (1) des Halbleiterkörpers oder in dem zweiten Material (3) mit großem Brechungsindex abschließt.
55. Verfahren gemäß Anspruch 53 oder 54,
dadurch gekennzeichnet, dass
das transparente dritte Material (5) mit kleinem Bre chungsindex Si02 aufweist, und insbesondere mittels TEOS (Tetraethylorthosilicat ) angebracht wird.
56. Verfahren gemäß Anspruch 54 oder 55,
gekennzeichnet durch
Dünnen mittels chemisch-mechanischen Polierens (CMP) .
57. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 54 bis 56,
gekennzeichnet durch
Transferieren (S3) der Vorrichtung mittels Stempeltechno logie .
58. Vorrichtung, insbesondere elektronisches Bauelement, ins besondere opto-elektronisches Bauelement, insbesondere Leuchtdiode,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Auskopplungsstruktur (A) in einem Oberflächenbereich (9) eines die Vorrichtung bereitstellenden Halbleiterkör pers mittels Strukturierens (Sl) des Oberflächenbereichs (9) und
Planarisierens ( S2 ) des strukturierten Oberflächenbe reichs (9) zum Erhalten einer planarisierten Oberfläche (7) des Oberflächenbereichs (9) erzeugt wurde.
59. Vorrichtung nach Anspruch 58,
dadurch gekennzeichnet, dass
die planarisierte Oberfläche (7) eben und/oder glatt ist und eine Rauigkeit im Bereich kleiner 20 Nanometer, ins besondere kleiner 1 Nanometer, als Mittelrauwert aufweist.
60. Vorrichtung nach Anspruch 58 oder 59,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Auskopplungsstruktur (A) ein transparentes drittes Ma- terial (5) mit kleinem Brechungsindex, insbesondere Si02, an einem aufgerauten ersten Material (1) des Halbleiters des Bauelements aufweist.
61. Vorrichtung nach Anspruch 58 oder 59,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Auskopplungsstruktur (A) ein transparentes drittes Ma terial (5) mit kleinem Brechungsindex, insbesondere Si02, an einem aufgerauten transparenten zweiten Material (3) mit großem Brechungsindex, insbesondere Nb2Ü5, aufweist, wobei das zweite Material (3) an einem ersten Material (1) des Halbleiters des Bauelements angebracht ist.
62. Vorrichtung nach Anspruch 58 oder 59,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Auskopplungsstruktur (A) ein transparentes drittes Ma terial (5) mit kleinem Brechungsindex, insbesondere Si02, an einem transparenten zweiten Material (3) mit großem Brechungsindex aufweist, wobei das zweite Material (3) an einem ersten Material (1) des Halbleiters des Bauelements angebracht ist und periodische photonische Kristalle oder nicht-periodische photonische Strukturen, insbesondere quasiperiodische oder deterministische aperiodische pho tonische Strukturen aufweist.
63. Optoelektronische Vorrichtung, aufweisend:
eine Anordnung (11) mit einer Vielzahl von Licht quellen zur Erzeugung von Licht, das aus einer Lichtaus trittsfläche aus der optoelektronischen Vorrichtung aus tritt, und
wenigstens eine photonische Struktur (K, P) , die zwi schen der Lichtaustrittsfläche und der Vielzahl der Lichtquellen angeordnet ist.
64. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 63,
dadurch gekennzeichnet, dass
die photonische Struktur zur Strahlformung des von den Lichtquellen erzeugten Lichts ausgebildet ist, insbeson dere derart, dass das Licht zumindest im Wesentlichen senkrecht aus der Lichtaustrittsfläche austritt.
65. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 63 oder 64, dadurch gekennzeichnet, dass
die photonische Struktur einen photonischen Kristall (K) aufweist .
66. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 63 bis 65,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung (11) ein Array ist, das als Lichtquellen eine Vielzahl von Pixeln aufweist, die in einer Schicht angeordnet sind, und dass ein photonischer Kristall in der Schicht angeordnet oder ausgebildet ist.
67. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche
63 bis 65,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung (11) ein Array ist, das als Lichtquellen eine Vielzahl von Pixeln aufweist, die in einer ersten Schicht angeordnet sind, und dass ein photonischer Kris tall in einer weiteren, zweiten Schicht angeordnet ist, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und der Lichtaustrittsfläche liegt.
68. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 63 bis 65,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung (11) als Lichtquellen eine Vielzahl von LEDs aufweist, die in einer ersten Schicht angeordnet sind, und dass ein photonischer Kristall in der weiteren, zweiten Schicht angeordnet ist, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und der Lichtaustrittsfläche liegt .
69. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 63 bis 68,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede der Lichtquellen eine Rekombinationszone aufweist und der photonische Kristall derart nah an den Rekombi nationszonen liegt, dass der photonische Kristall eine im Bereich der Rekombinationszonen vorhandene optische Zustandsdichte verändert, insbesondere derart, dass eine Bandlücke für wenigstens eine optische Mode mit einer Ausbreitungsrichtung parallel und/oder unter kleinem Win kel zur Lichtaustrittsfläche erzeugt wird.
70. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 65 bis 69,
dadurch gekennzeichnet, dass
der photonische Kristall (K) in Bezug auf eine parallel zur Lichtaustrittsfläche verlaufende Ebene unabhängig von der Positionierung der Lichtpunkte angeordnet ist, und/o der der photonische Kristall ein zweidimensionaler photoni- scher Kristall ist, welcher in zwei die Ebene aufspan nenden, zueinander senkrechten Raumrichtungen eine peri odische Variation des optischen Brechungsindex aufweist.
71. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 63 bis 70,
dadurch gekennzeichnet, dass
die photonische Struktur eine Vielzahl von Pillarstruk- turen (P) umfasst, die sich zumindest teilweise zwischen der Lichtaustrittsfläche und der Vielzahl der Lichtquel len erstreckt, wobei jeweils ein Pillar einer Lichtquelle zugeordnet ist und in einer Richtung senkrecht zur Licht austrittsfläche betrachtet fluchtend mit dieser ausge richtet ist.
72. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 71,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung (11) ein Array ist, das als Lichtquellen eine Vielzahl von Pixeln aufweist, die in einer ersten Schicht angeordnet sind, und dass die Pillars in einer weiteren, zweiten Schicht angeordnet sind, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und der Licht austrittsfläche liegt.
13. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 71,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung (11) als Lichtquellen eine Vielzahl von LEDs aufweist, die in einer ersten Schicht angeordnet sind, und dass die Pillars in einer weiteren, zweiten Schicht angeordnet oder ausgebildet sind, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und der Licht austrittsfläche liegt.
74. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung (11) ein Array ist, das als Lichtquellen eine Vielzahl von Pixeln aufweist, wobei jeweils ein Pi xel von jeweils einem Pillar gebildet ist.
75. Verfahren zur Herstellung einer optoelektronischen Vor richtung,
insbesondere eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 63 bis 74,
wobei eine Anordnung (11) mit einer Vielzahl von Lichtquellen zur Erzeugung von Licht, das aus einer Lichtaustrittsfläche aus der optoelektronischen Vorrich tung austritt, bereitgestellt oder hergestellt wird, und wenigstens eine photonische Struktur (K, P) zwischen der Lichtaustrittsfläche und der Vielzahl der Lichtquel len angeordnet wird.
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